leds: gpio: Support the "panic-indicator" firmware property
[linux-2.6-block.git] / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->private: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private: refers to the component page after the first page
30  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
31  *              Look at size_class->huge.
32  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
33  *              Free objects are linked together using in-place
34  *              metadata.
35  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
36  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
37  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
38  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
39  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
40  *      page->inuse: the number of objects that are used in this zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #include <linux/module.h>
49 #include <linux/kernel.h>
50 #include <linux/sched.h>
51 #include <linux/bitops.h>
52 #include <linux/errno.h>
53 #include <linux/highmem.h>
54 #include <linux/string.h>
55 #include <linux/slab.h>
56 #include <asm/tlbflush.h>
57 #include <asm/pgtable.h>
58 #include <linux/cpumask.h>
59 #include <linux/cpu.h>
60 #include <linux/vmalloc.h>
61 #include <linux/preempt.h>
62 #include <linux/spinlock.h>
63 #include <linux/types.h>
64 #include <linux/debugfs.h>
65 #include <linux/zsmalloc.h>
66 #include <linux/zpool.h>
67
68 /*
69  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
70  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
71  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
72  * to restore link_free pointer values.
73  */
74 #define ZS_ALIGN                8
75
76 /*
77  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
78  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
79  */
80 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
81 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
82
83 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
84
85 /*
86  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
87  * as single (unsigned long) handle value.
88  *
89  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
90  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
91  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
92  *
93  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
94  */
95
96 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
97 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
98 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
99 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
100 /*
101  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
102  * be PAGE_SHIFT
103  */
104 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
105 #endif
106 #endif
107 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
108
109 /*
110  * Memory for allocating for handle keeps object position by
111  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
112  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
113  * We use the bit to synchronize between object access by
114  * user and migration.
115  */
116 #define HANDLE_PIN_BIT  0
117
118 /*
119  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
120  * to identify the object was allocated or not.
121  * It's okay to add the status bit in the least bit because
122  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
123  * have room for two bit at least.
124  */
125 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
126 #define OBJ_TAG_BITS 1
127 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
128 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
129
130 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
131 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
132 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
133         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
134 /* each chunk includes extra space to keep handle */
135 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
136
137 /*
138  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
139  * trader-off here:
140  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
141  *    spread across these classes
142  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
143  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
144  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
145  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
146  *
147  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
148  *  (reason above)
149  */
150 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
151
152 /*
153  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
154  */
155 enum fullness_group {
156         ZS_ALMOST_FULL,
157         ZS_ALMOST_EMPTY,
158         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
159
160         ZS_EMPTY,
161         ZS_FULL
162 };
163
164 enum zs_stat_type {
165         OBJ_ALLOCATED,
166         OBJ_USED,
167         CLASS_ALMOST_FULL,
168         CLASS_ALMOST_EMPTY,
169 };
170
171 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
172 #define NR_ZS_STAT_TYPE (CLASS_ALMOST_EMPTY + 1)
173 #else
174 #define NR_ZS_STAT_TYPE (OBJ_USED + 1)
175 #endif
176
177 struct zs_size_stat {
178         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
179 };
180
181 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
182 static struct dentry *zs_stat_root;
183 #endif
184
185 /*
186  * number of size_classes
187  */
188 static int zs_size_classes;
189
190 /*
191  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
192  *      n <= N / f, where
193  * n = number of allocated objects
194  * N = total number of objects zspage can store
195  * f = fullness_threshold_frac
196  *
197  * Similarly, we assign zspage to:
198  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
199  *      ZS_EMPTY        when n == 0
200  *      ZS_FULL         when n == N
201  *
202  * (see: fix_fullness_group())
203  */
204 static const int fullness_threshold_frac = 4;
205
206 struct size_class {
207         spinlock_t lock;
208         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
209         /*
210          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
211          * of ZS_ALIGN.
212          */
213         int size;
214         unsigned int index;
215
216         struct zs_size_stat stats;
217
218         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
219         int pages_per_zspage;
220         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
221         bool huge;
222 };
223
224 /*
225  * Placed within free objects to form a singly linked list.
226  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
227  *
228  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
229  */
230 struct link_free {
231         union {
232                 /*
233                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
234                  * It's valid for non-allocated object
235                  */
236                 void *next;
237                 /*
238                  * Handle of allocated object.
239                  */
240                 unsigned long handle;
241         };
242 };
243
244 struct zs_pool {
245         const char *name;
246
247         struct size_class **size_class;
248         struct kmem_cache *handle_cachep;
249
250         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
251         atomic_long_t pages_allocated;
252
253         struct zs_pool_stats stats;
254
255         /* Compact classes */
256         struct shrinker shrinker;
257         /*
258          * To signify that register_shrinker() was successful
259          * and unregister_shrinker() will not Oops.
260          */
261         bool shrinker_enabled;
262 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
263         struct dentry *stat_dentry;
264 #endif
265 };
266
267 /*
268  * A zspage's class index and fullness group
269  * are encoded in its (first)page->mapping
270  */
271 #define CLASS_IDX_BITS  28
272 #define FULLNESS_BITS   4
273 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
274 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
275
276 struct mapping_area {
277 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
278         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
279 #else
280         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
281 #endif
282         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
283         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
284 };
285
286 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
287 {
288         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
289                                         0, 0, NULL);
290         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
291 }
292
293 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
294 {
295         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
296 }
297
298 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
299 {
300         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
301                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
302 }
303
304 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
305 {
306         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
307 }
308
309 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
310 {
311         /*
312          * lsb of @obj represents handle lock while other bits
313          * represent object value the handle is pointing so
314          * updating shouldn't do store tearing.
315          */
316         WRITE_ONCE(*(unsigned long *)handle, obj);
317 }
318
319 /* zpool driver */
320
321 #ifdef CONFIG_ZPOOL
322
323 static void *zs_zpool_create(const char *name, gfp_t gfp,
324                              const struct zpool_ops *zpool_ops,
325                              struct zpool *zpool)
326 {
327         return zs_create_pool(name, gfp);
328 }
329
330 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
331 {
332         zs_destroy_pool(pool);
333 }
334
335 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
336                         unsigned long *handle)
337 {
338         *handle = zs_malloc(pool, size);
339         return *handle ? 0 : -1;
340 }
341 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
342 {
343         zs_free(pool, handle);
344 }
345
346 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
347                         unsigned int *reclaimed)
348 {
349         return -EINVAL;
350 }
351
352 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
353                         enum zpool_mapmode mm)
354 {
355         enum zs_mapmode zs_mm;
356
357         switch (mm) {
358         case ZPOOL_MM_RO:
359                 zs_mm = ZS_MM_RO;
360                 break;
361         case ZPOOL_MM_WO:
362                 zs_mm = ZS_MM_WO;
363                 break;
364         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
365         default:
366                 zs_mm = ZS_MM_RW;
367                 break;
368         }
369
370         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
371 }
372 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
373 {
374         zs_unmap_object(pool, handle);
375 }
376
377 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
378 {
379         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
380 }
381
382 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
383         .type =         "zsmalloc",
384         .owner =        THIS_MODULE,
385         .create =       zs_zpool_create,
386         .destroy =      zs_zpool_destroy,
387         .malloc =       zs_zpool_malloc,
388         .free =         zs_zpool_free,
389         .shrink =       zs_zpool_shrink,
390         .map =          zs_zpool_map,
391         .unmap =        zs_zpool_unmap,
392         .total_size =   zs_zpool_total_size,
393 };
394
395 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
396 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
397
398 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
399 {
400         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
401 }
402
403 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
404 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
405
406 static int is_first_page(struct page *page)
407 {
408         return PagePrivate(page);
409 }
410
411 static int is_last_page(struct page *page)
412 {
413         return PagePrivate2(page);
414 }
415
416 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
417                                 enum fullness_group *fullness)
418 {
419         unsigned long m;
420         BUG_ON(!is_first_page(page));
421
422         m = (unsigned long)page->mapping;
423         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
424         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
425 }
426
427 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
428                                 enum fullness_group fullness)
429 {
430         unsigned long m;
431         BUG_ON(!is_first_page(page));
432
433         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
434                         (fullness & FULLNESS_MASK);
435         page->mapping = (struct address_space *)m;
436 }
437
438 /*
439  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
440  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
441  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
442  * classes depending on its size. This function returns index of the
443  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
444  */
445 static int get_size_class_index(int size)
446 {
447         int idx = 0;
448
449         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
450                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
451                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
452
453         return min(zs_size_classes - 1, idx);
454 }
455
456 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
457                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
458 {
459         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
460                 class->stats.objs[type] += cnt;
461 }
462
463 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
464                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
465 {
466         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
467                 class->stats.objs[type] -= cnt;
468 }
469
470 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
471                                 enum zs_stat_type type)
472 {
473         if (type < NR_ZS_STAT_TYPE)
474                 return class->stats.objs[type];
475         return 0;
476 }
477
478 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
479
480 static int __init zs_stat_init(void)
481 {
482         if (!debugfs_initialized())
483                 return -ENODEV;
484
485         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
486         if (!zs_stat_root)
487                 return -ENOMEM;
488
489         return 0;
490 }
491
492 static void __exit zs_stat_exit(void)
493 {
494         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
495 }
496
497 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class);
498
499 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
500 {
501         int i;
502         struct zs_pool *pool = s->private;
503         struct size_class *class;
504         int objs_per_zspage;
505         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
506         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used, freeable;
507         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
508         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
509         unsigned long total_freeable = 0;
510
511         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s %8s\n",
512                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
513                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
514                         "pages_per_zspage", "freeable");
515
516         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
517                 class = pool->size_class[i];
518
519                 if (class->index != i)
520                         continue;
521
522                 spin_lock(&class->lock);
523                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
524                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
525                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
526                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
527                 freeable = zs_can_compact(class);
528                 spin_unlock(&class->lock);
529
530                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
531                                 class->pages_per_zspage);
532                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
533                                 class->pages_per_zspage;
534
535                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu"
536                                 " %10lu %10lu %16d %8lu\n",
537                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
538                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
539                         class->pages_per_zspage, freeable);
540
541                 total_class_almost_full += class_almost_full;
542                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
543                 total_objs += obj_allocated;
544                 total_used_objs += obj_used;
545                 total_pages += pages_used;
546                 total_freeable += freeable;
547         }
548
549         seq_puts(s, "\n");
550         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16s %8lu\n",
551                         "Total", "", total_class_almost_full,
552                         total_class_almost_empty, total_objs,
553                         total_used_objs, total_pages, "", total_freeable);
554
555         return 0;
556 }
557
558 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
559 {
560         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
561 }
562
563 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
564         .open           = zs_stats_size_open,
565         .read           = seq_read,
566         .llseek         = seq_lseek,
567         .release        = single_release,
568 };
569
570 static int zs_pool_stat_create(const char *name, struct zs_pool *pool)
571 {
572         struct dentry *entry;
573
574         if (!zs_stat_root)
575                 return -ENODEV;
576
577         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
578         if (!entry) {
579                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
580                 return -ENOMEM;
581         }
582         pool->stat_dentry = entry;
583
584         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
585                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
586         if (!entry) {
587                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
588                                 name, "classes");
589                 return -ENOMEM;
590         }
591
592         return 0;
593 }
594
595 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
596 {
597         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
598 }
599
600 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
601 static int __init zs_stat_init(void)
602 {
603         return 0;
604 }
605
606 static void __exit zs_stat_exit(void)
607 {
608 }
609
610 static inline int zs_pool_stat_create(const char *name, struct zs_pool *pool)
611 {
612         return 0;
613 }
614
615 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
616 {
617 }
618 #endif
619
620
621 /*
622  * For each size class, zspages are divided into different groups
623  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
624  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
625  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
626  * status of the given page.
627  */
628 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
629 {
630         int inuse, max_objects;
631         enum fullness_group fg;
632         BUG_ON(!is_first_page(page));
633
634         inuse = page->inuse;
635         max_objects = page->objects;
636
637         if (inuse == 0)
638                 fg = ZS_EMPTY;
639         else if (inuse == max_objects)
640                 fg = ZS_FULL;
641         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
642                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
643         else
644                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
645
646         return fg;
647 }
648
649 /*
650  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
651  * to one of these freelists based on the number of live objects they
652  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
653  * identified by <class, fullness_group>.
654  */
655 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
656                                 enum fullness_group fullness)
657 {
658         struct page **head;
659
660         BUG_ON(!is_first_page(page));
661
662         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
663                 return;
664
665         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
666                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
667
668         head = &class->fullness_list[fullness];
669         if (!*head) {
670                 *head = page;
671                 return;
672         }
673
674         /*
675          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
676          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
677          */
678         list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
679         if (page->inuse >= (*head)->inuse)
680                 *head = page;
681 }
682
683 /*
684  * This function removes the given zspage from the freelist identified
685  * by <class, fullness_group>.
686  */
687 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
688                                 enum fullness_group fullness)
689 {
690         struct page **head;
691
692         BUG_ON(!is_first_page(page));
693
694         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
695                 return;
696
697         head = &class->fullness_list[fullness];
698         BUG_ON(!*head);
699         if (list_empty(&(*head)->lru))
700                 *head = NULL;
701         else if (*head == page)
702                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
703                                         struct page, lru);
704
705         list_del_init(&page->lru);
706         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
707                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
708 }
709
710 /*
711  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
712  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
713  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
714  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
715  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
716  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
717  * fullness group.
718  */
719 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
720                                                 struct page *page)
721 {
722         int class_idx;
723         enum fullness_group currfg, newfg;
724
725         BUG_ON(!is_first_page(page));
726
727         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
728         newfg = get_fullness_group(page);
729         if (newfg == currfg)
730                 goto out;
731
732         remove_zspage(page, class, currfg);
733         insert_zspage(page, class, newfg);
734         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
735
736 out:
737         return newfg;
738 }
739
740 /*
741  * We have to decide on how many pages to link together
742  * to form a zspage for each size class. This is important
743  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
744  * each zspage which is given as:
745  *     wastage = Zp % class_size
746  *     usage = Zp - wastage
747  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
748  *
749  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
750  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
751  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
752  */
753 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
754 {
755         int i, max_usedpc = 0;
756         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
757         int max_usedpc_order = 1;
758
759         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
760                 int zspage_size;
761                 int waste, usedpc;
762
763                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
764                 waste = zspage_size % class_size;
765                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
766
767                 if (usedpc > max_usedpc) {
768                         max_usedpc = usedpc;
769                         max_usedpc_order = i;
770                 }
771         }
772
773         return max_usedpc_order;
774 }
775
776 /*
777  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
778  * linked together using fields in struct page. This function finds
779  * the first/head page, given any component page of a zspage.
780  */
781 static struct page *get_first_page(struct page *page)
782 {
783         if (is_first_page(page))
784                 return page;
785         else
786                 return (struct page *)page_private(page);
787 }
788
789 static struct page *get_next_page(struct page *page)
790 {
791         struct page *next;
792
793         if (is_last_page(page))
794                 next = NULL;
795         else if (is_first_page(page))
796                 next = (struct page *)page_private(page);
797         else
798                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
799
800         return next;
801 }
802
803 /*
804  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
805  * We use the least bit of handle for tagging.
806  */
807 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
808 {
809         unsigned long obj;
810
811         if (!page) {
812                 BUG_ON(obj_idx);
813                 return NULL;
814         }
815
816         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
817         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
818         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
819
820         return (void *)obj;
821 }
822
823 /*
824  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
825  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
826  * location_to_obj().
827  */
828 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
829                                 unsigned long *obj_idx)
830 {
831         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
832         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
833         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
834 }
835
836 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
837 {
838         return *(unsigned long *)handle;
839 }
840
841 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
842                         void *obj)
843 {
844         if (class->huge) {
845                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
846                 return page_private(page);
847         } else
848                 return *(unsigned long *)obj;
849 }
850
851 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
852                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
853 {
854         unsigned long off = 0;
855
856         if (!is_first_page(page))
857                 off = page->index;
858
859         return off + obj_idx * class_size;
860 }
861
862 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
863 {
864         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
865
866         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
867 }
868
869 static void pin_tag(unsigned long handle)
870 {
871         while (!trypin_tag(handle));
872 }
873
874 static void unpin_tag(unsigned long handle)
875 {
876         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
877
878         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
879 }
880
881 static void reset_page(struct page *page)
882 {
883         clear_bit(PG_private, &page->flags);
884         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
885         set_page_private(page, 0);
886         page->mapping = NULL;
887         page->freelist = NULL;
888         page_mapcount_reset(page);
889 }
890
891 static void free_zspage(struct page *first_page)
892 {
893         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
894
895         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
896         BUG_ON(first_page->inuse);
897
898         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
899
900         reset_page(first_page);
901         __free_page(first_page);
902
903         /* zspage with only 1 system page */
904         if (!head_extra)
905                 return;
906
907         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
908                 list_del(&nextp->lru);
909                 reset_page(nextp);
910                 __free_page(nextp);
911         }
912         reset_page(head_extra);
913         __free_page(head_extra);
914 }
915
916 /* Initialize a newly allocated zspage */
917 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
918 {
919         unsigned long off = 0;
920         struct page *page = first_page;
921
922         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
923         while (page) {
924                 struct page *next_page;
925                 struct link_free *link;
926                 unsigned int i = 1;
927                 void *vaddr;
928
929                 /*
930                  * page->index stores offset of first object starting
931                  * in the page. For the first page, this is always 0,
932                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
933                  * head of corresponding zspage's freelist.
934                  */
935                 if (page != first_page)
936                         page->index = off;
937
938                 vaddr = kmap_atomic(page);
939                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
940
941                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
942                         link->next = location_to_obj(page, i++);
943                         link += class->size / sizeof(*link);
944                 }
945
946                 /*
947                  * We now come to the last (full or partial) object on this
948                  * page, which must point to the first object on the next
949                  * page (if present)
950                  */
951                 next_page = get_next_page(page);
952                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
953                 kunmap_atomic(vaddr);
954                 page = next_page;
955                 off %= PAGE_SIZE;
956         }
957 }
958
959 /*
960  * Allocate a zspage for the given size class
961  */
962 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
963 {
964         int i, error;
965         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
966
967         /*
968          * Allocate individual pages and link them together as:
969          * 1. first page->private = first sub-page
970          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
971          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->private
972          *
973          * For each size class, First/Head pages are linked together using
974          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
975          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
976          * identify the last page.
977          */
978         error = -ENOMEM;
979         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
980                 struct page *page;
981
982                 page = alloc_page(flags);
983                 if (!page)
984                         goto cleanup;
985
986                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
987                 if (i == 0) {   /* first page */
988                         SetPagePrivate(page);
989                         set_page_private(page, 0);
990                         first_page = page;
991                         first_page->inuse = 0;
992                 }
993                 if (i == 1)
994                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
995                 if (i >= 1)
996                         set_page_private(page, (unsigned long)first_page);
997                 if (i >= 2)
998                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
999                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
1000                         SetPagePrivate2(page);
1001                 prev_page = page;
1002         }
1003
1004         init_zspage(first_page, class);
1005
1006         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
1007         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
1008         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
1009
1010         error = 0; /* Success */
1011
1012 cleanup:
1013         if (unlikely(error) && first_page) {
1014                 free_zspage(first_page);
1015                 first_page = NULL;
1016         }
1017
1018         return first_page;
1019 }
1020
1021 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1022 {
1023         int i;
1024         struct page *page;
1025
1026         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1027                 page = class->fullness_list[i];
1028                 if (page)
1029                         break;
1030         }
1031
1032         return page;
1033 }
1034
1035 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1036 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1037 {
1038         /*
1039          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1040          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1041          */
1042         if (area->vm)
1043                 return 0;
1044         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1045         if (!area->vm)
1046                 return -ENOMEM;
1047         return 0;
1048 }
1049
1050 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1051 {
1052         if (area->vm)
1053                 free_vm_area(area->vm);
1054         area->vm = NULL;
1055 }
1056
1057 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1058                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1059 {
1060         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1061         area->vm_addr = area->vm->addr;
1062         return area->vm_addr + off;
1063 }
1064
1065 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1066                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1067 {
1068         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1069
1070         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1071 }
1072
1073 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1074
1075 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1076 {
1077         /*
1078          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1079          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1080          */
1081         if (area->vm_buf)
1082                 return 0;
1083         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1084         if (!area->vm_buf)
1085                 return -ENOMEM;
1086         return 0;
1087 }
1088
1089 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1090 {
1091         kfree(area->vm_buf);
1092         area->vm_buf = NULL;
1093 }
1094
1095 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1096                         struct page *pages[2], int off, int size)
1097 {
1098         int sizes[2];
1099         void *addr;
1100         char *buf = area->vm_buf;
1101
1102         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1103         pagefault_disable();
1104
1105         /* no read fastpath */
1106         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1107                 goto out;
1108
1109         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1110         sizes[1] = size - sizes[0];
1111
1112         /* copy object to per-cpu buffer */
1113         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1114         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1115         kunmap_atomic(addr);
1116         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1117         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1118         kunmap_atomic(addr);
1119 out:
1120         return area->vm_buf;
1121 }
1122
1123 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1124                         struct page *pages[2], int off, int size)
1125 {
1126         int sizes[2];
1127         void *addr;
1128         char *buf;
1129
1130         /* no write fastpath */
1131         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1132                 goto out;
1133
1134         buf = area->vm_buf;
1135         buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1136         size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1137         off += ZS_HANDLE_SIZE;
1138
1139         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1140         sizes[1] = size - sizes[0];
1141
1142         /* copy per-cpu buffer to object */
1143         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1144         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1145         kunmap_atomic(addr);
1146         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1147         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1148         kunmap_atomic(addr);
1149
1150 out:
1151         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1152         pagefault_enable();
1153 }
1154
1155 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1156
1157 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1158                                 void *pcpu)
1159 {
1160         int ret, cpu = (long)pcpu;
1161         struct mapping_area *area;
1162
1163         switch (action) {
1164         case CPU_UP_PREPARE:
1165                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1166                 ret = __zs_cpu_up(area);
1167                 if (ret)
1168                         return notifier_from_errno(ret);
1169                 break;
1170         case CPU_DEAD:
1171         case CPU_UP_CANCELED:
1172                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1173                 __zs_cpu_down(area);
1174                 break;
1175         }
1176
1177         return NOTIFY_OK;
1178 }
1179
1180 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1181         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1182 };
1183
1184 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1185 {
1186         int cpu, uninitialized_var(ret);
1187
1188         cpu_notifier_register_begin();
1189
1190         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1191         for_each_online_cpu(cpu) {
1192                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1193                 if (notifier_to_errno(ret))
1194                         break;
1195         }
1196
1197         cpu_notifier_register_done();
1198         return notifier_to_errno(ret);
1199 }
1200
1201 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1202 {
1203         int cpu;
1204
1205         cpu_notifier_register_begin();
1206
1207         for_each_online_cpu(cpu)
1208                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1209         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1210
1211         cpu_notifier_register_done();
1212 }
1213
1214 static void init_zs_size_classes(void)
1215 {
1216         int nr;
1217
1218         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1219         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1220                 nr += 1;
1221
1222         zs_size_classes = nr;
1223 }
1224
1225 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1226 {
1227         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1228                 return false;
1229
1230         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1231                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1232                 return false;
1233
1234         return true;
1235 }
1236
1237 static bool zspage_full(struct page *page)
1238 {
1239         BUG_ON(!is_first_page(page));
1240
1241         return page->inuse == page->objects;
1242 }
1243
1244 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1245 {
1246         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1247 }
1248 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1249
1250 /**
1251  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1252  * @pool: pool from which the object was allocated
1253  * @handle: handle returned from zs_malloc
1254  *
1255  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1256  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1257  * zs_unmap_object.
1258  *
1259  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1260  * against nested mappings.
1261  *
1262  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1263  */
1264 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1265                         enum zs_mapmode mm)
1266 {
1267         struct page *page;
1268         unsigned long obj, obj_idx, off;
1269
1270         unsigned int class_idx;
1271         enum fullness_group fg;
1272         struct size_class *class;
1273         struct mapping_area *area;
1274         struct page *pages[2];
1275         void *ret;
1276
1277         BUG_ON(!handle);
1278
1279         /*
1280          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1281          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1282          * because it can corrupt another users mappings.
1283          */
1284         BUG_ON(in_interrupt());
1285
1286         /* From now on, migration cannot move the object */
1287         pin_tag(handle);
1288
1289         obj = handle_to_obj(handle);
1290         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1291         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1292         class = pool->size_class[class_idx];
1293         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1294
1295         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1296         area->vm_mm = mm;
1297         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1298                 /* this object is contained entirely within a page */
1299                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1300                 ret = area->vm_addr + off;
1301                 goto out;
1302         }
1303
1304         /* this object spans two pages */
1305         pages[0] = page;
1306         pages[1] = get_next_page(page);
1307         BUG_ON(!pages[1]);
1308
1309         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1310 out:
1311         if (!class->huge)
1312                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1313
1314         return ret;
1315 }
1316 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1317
1318 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1319 {
1320         struct page *page;
1321         unsigned long obj, obj_idx, off;
1322
1323         unsigned int class_idx;
1324         enum fullness_group fg;
1325         struct size_class *class;
1326         struct mapping_area *area;
1327
1328         BUG_ON(!handle);
1329
1330         obj = handle_to_obj(handle);
1331         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1332         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1333         class = pool->size_class[class_idx];
1334         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1335
1336         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1337         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1338                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1339         else {
1340                 struct page *pages[2];
1341
1342                 pages[0] = page;
1343                 pages[1] = get_next_page(page);
1344                 BUG_ON(!pages[1]);
1345
1346                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1347         }
1348         put_cpu_var(zs_map_area);
1349         unpin_tag(handle);
1350 }
1351 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1352
1353 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1354                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1355 {
1356         unsigned long obj;
1357         struct link_free *link;
1358
1359         struct page *m_page;
1360         unsigned long m_objidx, m_offset;
1361         void *vaddr;
1362
1363         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1364         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1365         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1366         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1367
1368         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1369         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1370         first_page->freelist = link->next;
1371         if (!class->huge)
1372                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1373                 link->handle = handle;
1374         else
1375                 /* record handle in first_page->private */
1376                 set_page_private(first_page, handle);
1377         kunmap_atomic(vaddr);
1378         first_page->inuse++;
1379         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1380
1381         return obj;
1382 }
1383
1384
1385 /**
1386  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1387  * @pool: pool to allocate from
1388  * @size: size of block to allocate
1389  *
1390  * On success, handle to the allocated object is returned,
1391  * otherwise 0.
1392  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1393  */
1394 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1395 {
1396         unsigned long handle, obj;
1397         struct size_class *class;
1398         struct page *first_page;
1399
1400         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1401                 return 0;
1402
1403         handle = alloc_handle(pool);
1404         if (!handle)
1405                 return 0;
1406
1407         /* extra space in chunk to keep the handle */
1408         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1409         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1410
1411         spin_lock(&class->lock);
1412         first_page = find_get_zspage(class);
1413
1414         if (!first_page) {
1415                 spin_unlock(&class->lock);
1416                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1417                 if (unlikely(!first_page)) {
1418                         free_handle(pool, handle);
1419                         return 0;
1420                 }
1421
1422                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1423                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1424                                         &pool->pages_allocated);
1425
1426                 spin_lock(&class->lock);
1427                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1428                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1429         }
1430
1431         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1432         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1433         fix_fullness_group(class, first_page);
1434         record_obj(handle, obj);
1435         spin_unlock(&class->lock);
1436
1437         return handle;
1438 }
1439 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1440
1441 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1442                         unsigned long obj)
1443 {
1444         struct link_free *link;
1445         struct page *first_page, *f_page;
1446         unsigned long f_objidx, f_offset;
1447         void *vaddr;
1448
1449         BUG_ON(!obj);
1450
1451         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1452         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1453         first_page = get_first_page(f_page);
1454
1455         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1456
1457         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1458
1459         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1460         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1461         link->next = first_page->freelist;
1462         if (class->huge)
1463                 set_page_private(first_page, 0);
1464         kunmap_atomic(vaddr);
1465         first_page->freelist = (void *)obj;
1466         first_page->inuse--;
1467         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1468 }
1469
1470 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1471 {
1472         struct page *first_page, *f_page;
1473         unsigned long obj, f_objidx;
1474         int class_idx;
1475         struct size_class *class;
1476         enum fullness_group fullness;
1477
1478         if (unlikely(!handle))
1479                 return;
1480
1481         pin_tag(handle);
1482         obj = handle_to_obj(handle);
1483         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1484         first_page = get_first_page(f_page);
1485
1486         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1487         class = pool->size_class[class_idx];
1488
1489         spin_lock(&class->lock);
1490         obj_free(pool, class, obj);
1491         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1492         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1493                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1494                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1495                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1496                                 &pool->pages_allocated);
1497                 free_zspage(first_page);
1498         }
1499         spin_unlock(&class->lock);
1500         unpin_tag(handle);
1501
1502         free_handle(pool, handle);
1503 }
1504 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1505
1506 static void zs_object_copy(unsigned long dst, unsigned long src,
1507                                 struct size_class *class)
1508 {
1509         struct page *s_page, *d_page;
1510         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1511         unsigned long s_off, d_off;
1512         void *s_addr, *d_addr;
1513         int s_size, d_size, size;
1514         int written = 0;
1515
1516         s_size = d_size = class->size;
1517
1518         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1519         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1520
1521         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1522         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1523
1524         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1525                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1526
1527         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1528                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1529
1530         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1531         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1532
1533         while (1) {
1534                 size = min(s_size, d_size);
1535                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1536                 written += size;
1537
1538                 if (written == class->size)
1539                         break;
1540
1541                 s_off += size;
1542                 s_size -= size;
1543                 d_off += size;
1544                 d_size -= size;
1545
1546                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1547                         kunmap_atomic(d_addr);
1548                         kunmap_atomic(s_addr);
1549                         s_page = get_next_page(s_page);
1550                         BUG_ON(!s_page);
1551                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1552                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1553                         s_size = class->size - written;
1554                         s_off = 0;
1555                 }
1556
1557                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1558                         kunmap_atomic(d_addr);
1559                         d_page = get_next_page(d_page);
1560                         BUG_ON(!d_page);
1561                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1562                         d_size = class->size - written;
1563                         d_off = 0;
1564                 }
1565         }
1566
1567         kunmap_atomic(d_addr);
1568         kunmap_atomic(s_addr);
1569 }
1570
1571 /*
1572  * Find alloced object in zspage from index object and
1573  * return handle.
1574  */
1575 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1576                                         struct size_class *class)
1577 {
1578         unsigned long head;
1579         int offset = 0;
1580         unsigned long handle = 0;
1581         void *addr = kmap_atomic(page);
1582
1583         if (!is_first_page(page))
1584                 offset = page->index;
1585         offset += class->size * index;
1586
1587         while (offset < PAGE_SIZE) {
1588                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1589                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1590                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1591                         if (trypin_tag(handle))
1592                                 break;
1593                         handle = 0;
1594                 }
1595
1596                 offset += class->size;
1597                 index++;
1598         }
1599
1600         kunmap_atomic(addr);
1601         return handle;
1602 }
1603
1604 struct zs_compact_control {
1605         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1606         struct page *s_page;
1607         /* Destination page for migration which should be a first page
1608          * of zspage. */
1609         struct page *d_page;
1610          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1611           * in the subpage. */
1612         int index;
1613 };
1614
1615 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1616                                 struct zs_compact_control *cc)
1617 {
1618         unsigned long used_obj, free_obj;
1619         unsigned long handle;
1620         struct page *s_page = cc->s_page;
1621         struct page *d_page = cc->d_page;
1622         unsigned long index = cc->index;
1623         int ret = 0;
1624
1625         while (1) {
1626                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1627                 if (!handle) {
1628                         s_page = get_next_page(s_page);
1629                         if (!s_page)
1630                                 break;
1631                         index = 0;
1632                         continue;
1633                 }
1634
1635                 /* Stop if there is no more space */
1636                 if (zspage_full(d_page)) {
1637                         unpin_tag(handle);
1638                         ret = -ENOMEM;
1639                         break;
1640                 }
1641
1642                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1643                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1644                 zs_object_copy(free_obj, used_obj, class);
1645                 index++;
1646                 /*
1647                  * record_obj updates handle's value to free_obj and it will
1648                  * invalidate lock bit(ie, HANDLE_PIN_BIT) of handle, which
1649                  * breaks synchronization using pin_tag(e,g, zs_free) so
1650                  * let's keep the lock bit.
1651                  */
1652                 free_obj |= BIT(HANDLE_PIN_BIT);
1653                 record_obj(handle, free_obj);
1654                 unpin_tag(handle);
1655                 obj_free(pool, class, used_obj);
1656         }
1657
1658         /* Remember last position in this iteration */
1659         cc->s_page = s_page;
1660         cc->index = index;
1661
1662         return ret;
1663 }
1664
1665 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1666 {
1667         int i;
1668         struct page *page;
1669
1670         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1671                 page = class->fullness_list[i];
1672                 if (page) {
1673                         remove_zspage(page, class, i);
1674                         break;
1675                 }
1676         }
1677
1678         return page;
1679 }
1680
1681 /*
1682  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1683  * @pool: target pool
1684  * @class: destination class
1685  * @first_page: target page
1686  *
1687  * Return @fist_page's fullness_group
1688  */
1689 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1690                         struct size_class *class,
1691                         struct page *first_page)
1692 {
1693         enum fullness_group fullness;
1694
1695         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1696
1697         fullness = get_fullness_group(first_page);
1698         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1699         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1700
1701         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1702                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1703                         class->size, class->pages_per_zspage));
1704                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1705                                 &pool->pages_allocated);
1706
1707                 free_zspage(first_page);
1708         }
1709
1710         return fullness;
1711 }
1712
1713 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1714 {
1715         int i;
1716         struct page *page = NULL;
1717
1718         for (i = ZS_ALMOST_EMPTY; i >= ZS_ALMOST_FULL; i--) {
1719                 page = class->fullness_list[i];
1720                 if (!page)
1721                         continue;
1722
1723                 remove_zspage(page, class, i);
1724                 break;
1725         }
1726
1727         return page;
1728 }
1729
1730 /*
1731  *
1732  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1733  * and return the number of pages that we can free.
1734  */
1735 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1736 {
1737         unsigned long obj_wasted;
1738
1739         obj_wasted = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED) -
1740                 zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1741
1742         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1743                         class->pages_per_zspage);
1744
1745         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1746 }
1747
1748 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1749 {
1750         struct zs_compact_control cc;
1751         struct page *src_page;
1752         struct page *dst_page = NULL;
1753
1754         spin_lock(&class->lock);
1755         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1756
1757                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1758
1759                 if (!zs_can_compact(class))
1760                         break;
1761
1762                 cc.index = 0;
1763                 cc.s_page = src_page;
1764
1765                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1766                         cc.d_page = dst_page;
1767                         /*
1768                          * If there is no more space in dst_page, resched
1769                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1770                          */
1771                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1772                                 break;
1773
1774                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1775                 }
1776
1777                 /* Stop if we couldn't find slot */
1778                 if (dst_page == NULL)
1779                         break;
1780
1781                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1782                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1783                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1784                 spin_unlock(&class->lock);
1785                 cond_resched();
1786                 spin_lock(&class->lock);
1787         }
1788
1789         if (src_page)
1790                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1791
1792         spin_unlock(&class->lock);
1793 }
1794
1795 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1796 {
1797         int i;
1798         struct size_class *class;
1799
1800         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1801                 class = pool->size_class[i];
1802                 if (!class)
1803                         continue;
1804                 if (class->index != i)
1805                         continue;
1806                 __zs_compact(pool, class);
1807         }
1808
1809         return pool->stats.pages_compacted;
1810 }
1811 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1812
1813 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1814 {
1815         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1816 }
1817 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1818
1819 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1820                 struct shrink_control *sc)
1821 {
1822         unsigned long pages_freed;
1823         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1824                         shrinker);
1825
1826         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1827         /*
1828          * Compact classes and calculate compaction delta.
1829          * Can run concurrently with a manually triggered
1830          * (by user) compaction.
1831          */
1832         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1833
1834         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1835 }
1836
1837 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1838                 struct shrink_control *sc)
1839 {
1840         int i;
1841         struct size_class *class;
1842         unsigned long pages_to_free = 0;
1843         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1844                         shrinker);
1845
1846         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1847                 class = pool->size_class[i];
1848                 if (!class)
1849                         continue;
1850                 if (class->index != i)
1851                         continue;
1852
1853                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1854         }
1855
1856         return pages_to_free;
1857 }
1858
1859 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1860 {
1861         if (pool->shrinker_enabled) {
1862                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1863                 pool->shrinker_enabled = false;
1864         }
1865 }
1866
1867 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1868 {
1869         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1870         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1871         pool->shrinker.batch = 0;
1872         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1873
1874         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1875 }
1876
1877 /**
1878  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1879  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1880  *
1881  * This function must be called before anything when using
1882  * the zsmalloc allocator.
1883  *
1884  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1885  * otherwise NULL.
1886  */
1887 struct zs_pool *zs_create_pool(const char *name, gfp_t flags)
1888 {
1889         int i;
1890         struct zs_pool *pool;
1891         struct size_class *prev_class = NULL;
1892
1893         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1894         if (!pool)
1895                 return NULL;
1896
1897         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1898                         GFP_KERNEL);
1899         if (!pool->size_class) {
1900                 kfree(pool);
1901                 return NULL;
1902         }
1903
1904         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1905         if (!pool->name)
1906                 goto err;
1907
1908         if (create_handle_cache(pool))
1909                 goto err;
1910
1911         /*
1912          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1913          * for merging should be larger or equal to current size.
1914          */
1915         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1916                 int size;
1917                 int pages_per_zspage;
1918                 struct size_class *class;
1919
1920                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1921                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1922                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1923                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1924
1925                 /*
1926                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1927                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1928                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1929                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1930                  * many different sizes whose size_class have same
1931                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1932                  * previous size_class if possible.
1933                  */
1934                 if (prev_class) {
1935                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1936                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1937                                 continue;
1938                         }
1939                 }
1940
1941                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1942                 if (!class)
1943                         goto err;
1944
1945                 class->size = size;
1946                 class->index = i;
1947                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1948                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1949                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1950                         class->huge = true;
1951                 spin_lock_init(&class->lock);
1952                 pool->size_class[i] = class;
1953
1954                 prev_class = class;
1955         }
1956
1957         pool->flags = flags;
1958
1959         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1960                 goto err;
1961
1962         /*
1963          * Not critical, we still can use the pool
1964          * and user can trigger compaction manually.
1965          */
1966         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1967                 pool->shrinker_enabled = true;
1968         return pool;
1969
1970 err:
1971         zs_destroy_pool(pool);
1972         return NULL;
1973 }
1974 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1975
1976 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1977 {
1978         int i;
1979
1980         zs_unregister_shrinker(pool);
1981         zs_pool_stat_destroy(pool);
1982
1983         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1984                 int fg;
1985                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1986
1987                 if (!class)
1988                         continue;
1989
1990                 if (class->index != i)
1991                         continue;
1992
1993                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1994                         if (class->fullness_list[fg]) {
1995                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1996                                         class->size, fg);
1997                         }
1998                 }
1999                 kfree(class);
2000         }
2001
2002         destroy_handle_cache(pool);
2003         kfree(pool->size_class);
2004         kfree(pool->name);
2005         kfree(pool);
2006 }
2007 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
2008
2009 static int __init zs_init(void)
2010 {
2011         int ret = zs_register_cpu_notifier();
2012
2013         if (ret)
2014                 goto notifier_fail;
2015
2016         init_zs_size_classes();
2017
2018 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2019         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2020 #endif
2021
2022         ret = zs_stat_init();
2023         if (ret) {
2024                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
2025                 goto stat_fail;
2026         }
2027         return 0;
2028
2029 stat_fail:
2030 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2031         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2032 #endif
2033 notifier_fail:
2034         zs_unregister_cpu_notifier();
2035
2036         return ret;
2037 }
2038
2039 static void __exit zs_exit(void)
2040 {
2041 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2042         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2043 #endif
2044         zs_unregister_cpu_notifier();
2045
2046         zs_stat_exit();
2047 }
2048
2049 module_init(zs_init);
2050 module_exit(zs_exit);
2051
2052 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2053 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");