smalloc.c

   1 /*
   2  * simple memory allocator, backed by mmap() so that it hands out memory
   3  * that can be shared across processes and threads
   4  */
   5 #include <sys/mman.h>
   6 #include <stdio.h>
   7 #include <stdlib.h>
   8 #include <assert.h>
   9 #include <string.h>
  10 #include <unistd.h>
  11 #include <sys/types.h>
  12 #include <limits.h>
  13
  14 #include "mutex.h"
  15 #include "arch/arch.h"
  16
  17 #define MP_SAFE                 /* define to make thread safe */
  18 #define SMALLOC_REDZONE         /* define to detect memory corruption */
  19
  20 #define SMALLOC_BPB     32      /* block size, bytes-per-bit in bitmap */
  21 #define SMALLOC_BPI     (sizeof(unsigned int) * 8)
  22 #define SMALLOC_BPL     (SMALLOC_BPB * SMALLOC_BPI)
  23
  24 #define INITIAL_SIZE    1024*1024       /* new pool size */
  25 #define MAX_POOLS       4               /* maximum number of pools to setup */
  26
  27 #define SMALLOC_PRE_RED         0xdeadbeefU
  28 #define SMALLOC_POST_RED        0x5aa55aa5U
  29
  30 unsigned int smalloc_pool_size = INITIAL_SIZE;
  31
  32 struct pool {
  33         struct fio_mutex *lock;                 /* protects this pool */
  34         void *map;                              /* map of blocks */
  35         unsigned int *bitmap;                   /* blocks free/busy map */
  36         unsigned int free_blocks;               /* free blocks */
  37         unsigned int nr_blocks;                 /* total blocks */
  38         unsigned int next_non_full;
  39         int fd;                                 /* memory backing fd */
  40         char file[PATH_MAX];                    /* filename for fd */
  41         unsigned int mmap_size;
  42 };
  43
  44 struct block_hdr {
  45         unsigned int size;
  46 #ifdef SMALLOC_REDZONE
  47         unsigned int prered;
  48 #endif
  49 };
  50
  51 static struct pool mp[MAX_POOLS];
  52 static unsigned int nr_pools;
  53 static unsigned int last_pool;
  54 static struct fio_mutex *lock;
  55
  56 static inline void pool_lock(struct pool *pool)
  57 {
  58         if (pool->lock)
  59                 fio_mutex_down(pool->lock);
  60 }
  61
  62 static inline void pool_unlock(struct pool *pool)
  63 {
  64         if (pool->lock)
  65                 fio_mutex_up(pool->lock);
  66 }
  67
  68 static inline void global_read_lock(void)
  69 {
  70         if (lock)
  71                 fio_mutex_down_read(lock);
  72 }
  73
  74 static inline void global_read_unlock(void)
  75 {
  76         if (lock)
  77                 fio_mutex_up_read(lock);
  78 }
  79
  80 static inline void global_write_lock(void)
  81 {
  82         if (lock)
  83                 fio_mutex_down_write(lock);
  84 }
  85
  86 static inline void global_write_unlock(void)
  87 {
  88         if (lock)
  89                 fio_mutex_up_write(lock);
  90 }
  91
  92 static inline int ptr_valid(struct pool *pool, void *ptr)
  93 {
  94         unsigned int pool_size = pool->nr_blocks * SMALLOC_BPL;
  95
  96         return (ptr >= pool->map) && (ptr < pool->map + pool_size);
  97 }
  98
  99 static inline unsigned int size_to_blocks(unsigned int size)
 100 {
 101         return (size + SMALLOC_BPB - 1) / SMALLOC_BPB;
 102 }
 103
 104 static int blocks_iter(struct pool *pool, unsigned int pool_idx,
 105                        unsigned int idx, unsigned int nr_blocks,
 106                        int (*func)(unsigned int *map, unsigned int mask))
 107 {
 108
 109         while (nr_blocks) {
 110                 unsigned int this_blocks, mask;
 111                 unsigned int *map;
 112
 113                 if (pool_idx >= pool->nr_blocks)
 114                         return 0;
 115
 116                 map = &pool->bitmap[pool_idx];
 117
 118                 this_blocks = nr_blocks;
 119                 if (this_blocks + idx > SMALLOC_BPI) {
 120                         this_blocks = SMALLOC_BPI - idx;
 121                         idx = SMALLOC_BPI - this_blocks;
 122                 }
 123
 124                 if (this_blocks == SMALLOC_BPI)
 125                         mask = -1U;
 126                 else
 127                         mask = ((1U << this_blocks) - 1) << idx;
 128
 129                 if (!func(map, mask))
 130                         return 0;
 131
 132                 nr_blocks -= this_blocks;
 133                 idx = 0;
 134                 pool_idx++;
 135         }
 136
 137         return 1;
 138 }
 139
 140 static int mask_cmp(unsigned int *map, unsigned int mask)
 141 {
 142         return !(*map & mask);
 143 }
 144
 145 static int mask_clear(unsigned int *map, unsigned int mask)
 146 {
 147         assert((*map & mask) == mask);
 148         *map &= ~mask;
 149         return 1;
 150 }
 151
 152 static int mask_set(unsigned int *map, unsigned int mask)
 153 {
 154         assert(!(*map & mask));
 155         *map |= mask;
 156         return 1;
 157 }
 158
 159 static int blocks_free(struct pool *pool, unsigned int pool_idx,
 160                        unsigned int idx, unsigned int nr_blocks)
 161 {
 162         return blocks_iter(pool, pool_idx, idx, nr_blocks, mask_cmp);
 163 }
 164
 165 static void set_blocks(struct pool *pool, unsigned int pool_idx,
 166                        unsigned int idx, unsigned int nr_blocks)
 167 {
 168         blocks_iter(pool, pool_idx, idx, nr_blocks, mask_set);
 169 }
 170
 171 static void clear_blocks(struct pool *pool, unsigned int pool_idx,
 172                          unsigned int idx, unsigned int nr_blocks)
 173 {
 174         blocks_iter(pool, pool_idx, idx, nr_blocks, mask_clear);
 175 }
 176
 177 static int find_next_zero(int word, int start)
 178 {
 179         assert(word != -1U);
 180         word >>= (start + 1);
 181         return ffz(word) + start + 1;
 182 }
 183
 184 static int add_pool(struct pool *pool, unsigned int alloc_size)
 185 {
 186         void *ptr;
 187         int fd, bitmap_blocks;
 188
 189         strcpy(pool->file, "/tmp/.fio_smalloc.XXXXXX");
 190         fd = mkstemp(pool->file);
 191         if (fd < 0)
 192                 goto out_close;
 193
 194 #ifdef SMALLOC_REDZONE
 195         alloc_size += sizeof(unsigned int);
 196 #endif
 197         alloc_size += sizeof(struct block_hdr);
 198         if (alloc_size < INITIAL_SIZE)
 199                 alloc_size = INITIAL_SIZE;
 200
 201         /* round up to nearest full number of blocks */
 202         alloc_size = (alloc_size + SMALLOC_BPL - 1) & ~(SMALLOC_BPL - 1);
 203         bitmap_blocks = alloc_size / SMALLOC_BPL;
 204         alloc_size += bitmap_blocks * sizeof(unsigned int);
 205         pool->mmap_size = alloc_size;
 206
 207         pool->nr_blocks = bitmap_blocks;
 208         pool->free_blocks = bitmap_blocks * SMALLOC_BPB;
 209
 210         if (ftruncate(fd, alloc_size) < 0)
 211                 goto out_unlink;
 212
 213         ptr = mmap(NULL, alloc_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
 214         if (ptr == MAP_FAILED)
 215                 goto out_unlink;
 216
 217         memset(ptr, 0, alloc_size);
 218         pool->map = ptr;
 219         pool->bitmap = (void *) ptr + (pool->nr_blocks * SMALLOC_BPL);
 220
 221 #ifdef MP_SAFE
 222         pool->lock = fio_mutex_init(1);
 223         if (!pool->lock)
 224                 goto out_unlink;
 225 #endif
 226
 227         pool->fd = fd;
 228
 229         global_write_lock();
 230         nr_pools++;
 231         global_write_unlock();
 232         return 0;
 233 out_unlink:
 234         fprintf(stderr, "smalloc: failed adding pool\n");
 235         if (pool->map)
 236                 munmap(pool->map, pool->mmap_size);
 237         unlink(pool->file);
 238 out_close:
 239         if (fd >= 0)
 240                 close(fd);
 241         return 1;
 242 }
 243
 244 void sinit(void)
 245 {
 246         int ret;
 247
 248 #ifdef MP_SAFE
 249         lock = fio_mutex_rw_init();
 250 #endif
 251         ret = add_pool(&mp[0], INITIAL_SIZE);
 252         assert(!ret);
 253 }
 254
 255 static void cleanup_pool(struct pool *pool)
 256 {
 257         unlink(pool->file);
 258         close(pool->fd);
 259         munmap(pool->map, pool->mmap_size);
 260
 261         if (pool->lock)
 262                 fio_mutex_remove(pool->lock);
 263 }
 264
 265 void scleanup(void)
 266 {
 267         unsigned int i;
 268
 269         for (i = 0; i < nr_pools; i++)
 270                 cleanup_pool(&mp[i]);
 271
 272         if (lock)
 273                 fio_mutex_remove(lock);
 274 }
 275
 276 #ifdef SMALLOC_REDZONE
 277 static void fill_redzone(struct block_hdr *hdr)
 278 {
 279         unsigned int *postred = (void *) hdr + hdr->size - sizeof(unsigned int);
 280
 281         hdr->prered = SMALLOC_PRE_RED;
 282         *postred = SMALLOC_POST_RED;
 283 }
 284
 285 static void sfree_check_redzone(struct block_hdr *hdr)
 286 {
 287         unsigned int *postred = (void *) hdr + hdr->size - sizeof(unsigned int);
 288
 289         if (hdr->prered != SMALLOC_PRE_RED) {
 290                 fprintf(stderr, "smalloc pre redzone destroyed!\n");
 291                 fprintf(stderr, "  ptr=%p, prered=%x, expected %x\n",
 292                                 hdr, hdr->prered, SMALLOC_PRE_RED);
 293                 assert(0);
 294         }
 295         if (*postred != SMALLOC_POST_RED) {
 296                 fprintf(stderr, "smalloc post redzone destroyed!\n");
 297                 fprintf(stderr, "  ptr=%p, postred=%x, expected %x\n",
 298                                 hdr, *postred, SMALLOC_POST_RED);
 299                 assert(0);
 300         }
 301 }
 302 #else
 303 static void fill_redzone(struct block_hdr *hdr)
 304 {
 305 }
 306
 307 static void sfree_check_redzone(struct block_hdr *hdr)
 308 {
 309 }
 310 #endif
 311
 312 static void sfree_pool(struct pool *pool, void *ptr)
 313 {
 314         struct block_hdr *hdr;
 315         unsigned int i, idx;
 316         unsigned long offset;
 317
 318         if (!ptr)
 319                 return;
 320
 321         ptr -= sizeof(*hdr);
 322         hdr = ptr;
 323
 324         assert(ptr_valid(pool, ptr));
 325
 326         sfree_check_redzone(hdr);
 327
 328         offset = ptr - pool->map;
 329         i = offset / SMALLOC_BPL;
 330         idx = (offset % SMALLOC_BPL) / SMALLOC_BPB;
 331
 332         pool_lock(pool);
 333         clear_blocks(pool, i, idx, size_to_blocks(hdr->size));
 334         if (i < pool->next_non_full)
 335                 pool->next_non_full = i;
 336         pool->free_blocks += size_to_blocks(hdr->size);
 337         pool_unlock(pool);
 338 }
 339
 340 void sfree(void *ptr)
 341 {
 342         struct pool *pool = NULL;
 343         unsigned int i;
 344
 345         if (!ptr)
 346                 return;
 347
 348         global_read_lock();
 349
 350         for (i = 0; i < nr_pools; i++) {
 351                 if (ptr_valid(&mp[i], ptr)) {
 352                         pool = &mp[i];
 353                         break;
 354                 }
 355         }
 356
 357         global_read_unlock();
 358
 359         assert(pool);
 360         sfree_pool(pool, ptr);
 361 }
 362
 363 static void *__smalloc_pool(struct pool *pool, unsigned int size)
 364 {
 365         unsigned int nr_blocks;
 366         unsigned int i;
 367         unsigned int offset;
 368         unsigned int last_idx;
 369         void *ret = NULL;
 370
 371         pool_lock(pool);
 372
 373         nr_blocks = size_to_blocks(size);
 374         if (nr_blocks > pool->free_blocks)
 375                 goto fail;
 376
 377         i = pool->next_non_full;
 378         last_idx = 0;
 379         offset = -1U;
 380         while (i < pool->nr_blocks) {
 381                 unsigned int idx;
 382
 383                 if (pool->bitmap[i] == -1U) {
 384                         i++;
 385                         pool->next_non_full = i;
 386                         last_idx = 0;
 387                         continue;
 388                 }
 389
 390                 idx = find_next_zero(pool->bitmap[i], last_idx);
 391                 if (!blocks_free(pool, i, idx, nr_blocks)) {
 392                         idx += nr_blocks;
 393                         if (idx < SMALLOC_BPI)
 394                                 last_idx = idx;
 395                         else {
 396                                 last_idx = 0;
 397                                 while (idx >= SMALLOC_BPI) {
 398                                         i++;
 399                                         idx -= SMALLOC_BPI;
 400                                 }
 401                         }
 402                         continue;
 403                 }
 404                 set_blocks(pool, i, idx, nr_blocks);
 405                 offset = i * SMALLOC_BPL + idx * SMALLOC_BPB;
 406                 break;
 407         }
 408
 409         if (i < pool->nr_blocks) {
 410                 pool->free_blocks -= nr_blocks;
 411                 ret = pool->map + offset;
 412         }
 413 fail:
 414         pool_unlock(pool);
 415         return ret;
 416 }
 417
 418 static void *smalloc_pool(struct pool *pool, unsigned int size)
 419 {
 420         unsigned int alloc_size = size + sizeof(struct block_hdr);
 421         void *ptr;
 422
 423 #ifdef SMALLOC_REDZONE
 424         alloc_size += sizeof(unsigned int);
 425 #endif
 426
 427         ptr = __smalloc_pool(pool, alloc_size);
 428         if (ptr) {
 429                 struct block_hdr *hdr = ptr;
 430
 431                 hdr->size = alloc_size;
 432                 fill_redzone(hdr);
 433
 434                 ptr += sizeof(*hdr);
 435                 memset(ptr, 0, size);
 436         }
 437
 438         return ptr;
 439 }
 440
 441 void *smalloc(unsigned int size)
 442 {
 443         unsigned int i;
 444
 445         global_read_lock();
 446         i = last_pool;
 447
 448         do {
 449                 for (; i < nr_pools; i++) {
 450                         void *ptr = smalloc_pool(&mp[i], size);
 451
 452                         if (ptr) {
 453                                 last_pool = i;
 454                                 global_read_unlock();
 455                                 return ptr;
 456                         }
 457                 }
 458                 if (last_pool) {
 459                         last_pool = 0;
 460                         continue;
 461                 }
 462
 463                 if (nr_pools + 1 > MAX_POOLS)
 464                         break;
 465                 else {
 466                         i = nr_pools;
 467                         global_read_unlock();
 468                         if (add_pool(&mp[nr_pools], size))
 469                                 goto out;
 470                         global_read_lock();
 471                 }
 472         } while (1);
 473
 474         global_read_unlock();
 475 out:
 476         return NULL;
 477 }
 478
 479 char *smalloc_strdup(const char *str)
 480 {
 481         char *ptr;
 482
 483         ptr = smalloc(strlen(str) + 1);
 484         strcpy(ptr, str);
 485         return ptr;
 486 }