Temporarily move taskq+util to libzpool until that directory is broken in to lib...
[zfs.git] / zfs / lib / libumem / vmem.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
10  * See the License for the specific language governing permissions
11  * and limitations under the License.
12  *
13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
18  *
19  * CDDL HEADER END
20  */
21
22 /*
23  * Copyright 2008 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
24  * Use is subject to license terms.
25  */
26
27 /*
28  * For a more complete description of the main ideas, see:
29  *
30  *      Jeff Bonwick and Jonathan Adams,
31  *
32  *      Magazines and vmem: Extending the Slab Allocator to Many CPUs and
33  *      Arbitrary Resources.
34  *
35  *      Proceedings of the 2001 Usenix Conference.
36  *      Available as /shared/sac/PSARC/2000/550/materials/vmem.pdf.
37  *
38  * For the "Big Theory Statement", see usr/src/uts/common/os/vmem.c
39  *
40  * 1. Overview of changes
41  * ------------------------------
42  * There have been a few changes to vmem in order to support umem.  The
43  * main areas are:
44  *
45  *      * VM_SLEEP unsupported
46  *
47  *      * Reaping changes
48  *
49  *      * initialization changes
50  *
51  *      * _vmem_extend_alloc
52  *
53  *
54  * 2. VM_SLEEP Removed
55  * -------------------
56  * Since VM_SLEEP allocations can hold locks (in vmem_populate()) for
57  * possibly infinite amounts of time, they are not supported in this
58  * version of vmem.  Sleep-like behavior can be achieved through
59  * UMEM_NOFAIL umem allocations.
60  *
61  *
62  * 3. Reaping changes
63  * ------------------
64  * Unlike kmem_reap(), which just asynchronously schedules work, umem_reap()
65  * can do allocations and frees synchronously.  This is a problem if it
66  * occurs during a vmem_populate() allocation.
67  *
68  * Instead, we delay reaps while populates are active.
69  *
70  *
71  * 4. Initialization changes
72  * -------------------------
73  * In the kernel, vmem_init() allows you to create a single, top-level arena,
74  * which has vmem_internal_arena as a child.  For umem, we want to be able
75  * to extend arenas dynamically.  It is much easier to support this if we
76  * allow a two-level "heap" arena:
77  *
78  *      +----------+
79  *      |  "fake"  |
80  *      +----------+
81  *            |
82  *      +----------+
83  *      |  "heap"  |
84  *      +----------+
85  *        |    \ \
86  *        |     +-+-- ... <other children>
87  *        |
88  *      +---------------+
89  *      | vmem_internal |
90  *      +---------------+
91  *          | | | |
92  *         <children>
93  *
94  * The new vmem_init() allows you to specify a "parent" of the heap, along
95  * with allocation functions.
96  *
97  *
98  * 5. _vmem_extend_alloc
99  * ---------------------
100  * The other part of extending is _vmem_extend_alloc.  This function allows
101  * you to extend (expand current spans, if possible) an arena and allocate
102  * a chunk of the newly extened span atomically.  This is needed to support
103  * extending the heap while vmem_populate()ing it.
104  *
105  * In order to increase the usefulness of extending, non-imported spans are
106  * sorted in address order.
107  */
108
109 #include <sys/vmem_impl_user.h>
110 #include <alloca.h>
111 #include <sys/sysmacros.h>
112 #include <stdio.h>
113 #include <strings.h>
114 #include <atomic.h>
115
116 #include "vmem_base.h"
117 #include "umem_base.h"
118
119 #define VMEM_INITIAL            6       /* early vmem arenas */
120 #define VMEM_SEG_INITIAL        100     /* early segments */
121
122 /*
123  * Adding a new span to an arena requires two segment structures: one to
124  * represent the span, and one to represent the free segment it contains.
125  */
126 #define VMEM_SEGS_PER_SPAN_CREATE       2
127
128 /*
129  * Allocating a piece of an existing segment requires 0-2 segment structures
130  * depending on how much of the segment we're allocating.
131  *
132  * To allocate the entire segment, no new segment structures are needed; we
133  * simply move the existing segment structure from the freelist to the
134  * allocation hash table.
135  *
136  * To allocate a piece from the left or right end of the segment, we must
137  * split the segment into two pieces (allocated part and remainder), so we
138  * need one new segment structure to represent the remainder.
139  *
140  * To allocate from the middle of a segment, we need two new segment strucures
141  * to represent the remainders on either side of the allocated part.
142  */
143 #define VMEM_SEGS_PER_EXACT_ALLOC       0
144 #define VMEM_SEGS_PER_LEFT_ALLOC        1
145 #define VMEM_SEGS_PER_RIGHT_ALLOC       1
146 #define VMEM_SEGS_PER_MIDDLE_ALLOC      2
147
148 /*
149  * vmem_populate() preallocates segment structures for vmem to do its work.
150  * It must preallocate enough for the worst case, which is when we must import
151  * a new span and then allocate from the middle of it.
152  */
153 #define VMEM_SEGS_PER_ALLOC_MAX         \
154         (VMEM_SEGS_PER_SPAN_CREATE + VMEM_SEGS_PER_MIDDLE_ALLOC)
155
156 /*
157  * The segment structures themselves are allocated from vmem_seg_arena, so
158  * we have a recursion problem when vmem_seg_arena needs to populate itself.
159  * We address this by working out the maximum number of segment structures
160  * this act will require, and multiplying by the maximum number of threads
161  * that we'll allow to do it simultaneously.
162  *
163  * The worst-case segment consumption to populate vmem_seg_arena is as
164  * follows (depicted as a stack trace to indicate why events are occurring):
165  *
166  * vmem_alloc(vmem_seg_arena)           -> 2 segs (span create + exact alloc)
167  *  vmem_alloc(vmem_internal_arena)     -> 2 segs (span create + exact alloc)
168  *   heap_alloc(heap_arena)
169  *    vmem_alloc(heap_arena)            -> 4 seg (span create + alloc)
170  *     parent_alloc(parent_arena)
171  *      _vmem_extend_alloc(parent_arena) -> 3 seg (span create + left alloc)
172  *
173  * Note:  The reservation for heap_arena must be 4, since vmem_xalloc()
174  * is overly pessimistic on allocations where parent_arena has a stricter
175  * alignment than heap_arena.
176  *
177  * The worst-case consumption for any arena is 4 segment structures.
178  * For now, we only support VM_NOSLEEP allocations, so as long as we
179  * serialize all vmem_populates, a 4-seg reserve is sufficient.
180  */
181 #define VMEM_POPULATE_SEGS_PER_ARENA    4
182 #define VMEM_POPULATE_LOCKS             1
183
184 #define VMEM_POPULATE_RESERVE           \
185         (VMEM_POPULATE_SEGS_PER_ARENA * VMEM_POPULATE_LOCKS)
186
187 /*
188  * vmem_populate() ensures that each arena has VMEM_MINFREE seg structures
189  * so that it can satisfy the worst-case allocation *and* participate in
190  * worst-case allocation from vmem_seg_arena.
191  */
192 #define VMEM_MINFREE    (VMEM_POPULATE_RESERVE + VMEM_SEGS_PER_ALLOC_MAX)
193
194 /* Don't assume new statics are zeroed - see vmem_startup() */
195 static vmem_t vmem0[VMEM_INITIAL];
196 static vmem_t *vmem_populator[VMEM_INITIAL];
197 static uint32_t vmem_id;
198 static uint32_t vmem_populators;
199 static vmem_seg_t vmem_seg0[VMEM_SEG_INITIAL];
200 static vmem_seg_t *vmem_segfree;
201 static mutex_t vmem_list_lock;
202 static mutex_t vmem_segfree_lock;
203 static vmem_populate_lock_t vmem_nosleep_lock;
204 #define IN_POPULATE()   (vmem_nosleep_lock.vmpl_thr == thr_self())
205 static vmem_t *vmem_list;
206 static vmem_t *vmem_internal_arena;
207 static vmem_t *vmem_seg_arena;
208 static vmem_t *vmem_hash_arena;
209 static vmem_t *vmem_vmem_arena;
210
211 vmem_t *vmem_heap;
212 vmem_alloc_t *vmem_heap_alloc;
213 vmem_free_t *vmem_heap_free;
214
215 uint32_t vmem_mtbf;             /* mean time between failures [default: off] */
216 size_t vmem_seg_size = sizeof (vmem_seg_t);
217
218 /*
219  * Insert/delete from arena list (type 'a') or next-of-kin list (type 'k').
220  */
221 #define VMEM_INSERT(vprev, vsp, type)                                   \
222 {                                                                       \
223         vmem_seg_t *vnext = (vprev)->vs_##type##next;                   \
224         (vsp)->vs_##type##next = (vnext);                               \
225         (vsp)->vs_##type##prev = (vprev);                               \
226         (vprev)->vs_##type##next = (vsp);                               \
227         (vnext)->vs_##type##prev = (vsp);                               \
228 }
229
230 #define VMEM_DELETE(vsp, type)                                          \
231 {                                                                       \
232         vmem_seg_t *vprev = (vsp)->vs_##type##prev;                     \
233         vmem_seg_t *vnext = (vsp)->vs_##type##next;                     \
234         (vprev)->vs_##type##next = (vnext);                             \
235         (vnext)->vs_##type##prev = (vprev);                             \
236 }
237
238 /*
239  * Get a vmem_seg_t from the global segfree list.
240  */
241 static vmem_seg_t *
242 vmem_getseg_global(void)
243 {
244         vmem_seg_t *vsp;
245
246         (void) mutex_lock(&vmem_segfree_lock);
247         if ((vsp = vmem_segfree) != NULL)
248                 vmem_segfree = vsp->vs_knext;
249         (void) mutex_unlock(&vmem_segfree_lock);
250
251         return (vsp);
252 }
253
254 /*
255  * Put a vmem_seg_t on the global segfree list.
256  */
257 static void
258 vmem_putseg_global(vmem_seg_t *vsp)
259 {
260         (void) mutex_lock(&vmem_segfree_lock);
261         vsp->vs_knext = vmem_segfree;
262         vmem_segfree = vsp;
263         (void) mutex_unlock(&vmem_segfree_lock);
264 }
265
266 /*
267  * Get a vmem_seg_t from vmp's segfree list.
268  */
269 static vmem_seg_t *
270 vmem_getseg(vmem_t *vmp)
271 {
272         vmem_seg_t *vsp;
273
274         ASSERT(vmp->vm_nsegfree > 0);
275
276         vsp = vmp->vm_segfree;
277         vmp->vm_segfree = vsp->vs_knext;
278         vmp->vm_nsegfree--;
279
280         return (vsp);
281 }
282
283 /*
284  * Put a vmem_seg_t on vmp's segfree list.
285  */
286 static void
287 vmem_putseg(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
288 {
289         vsp->vs_knext = vmp->vm_segfree;
290         vmp->vm_segfree = vsp;
291         vmp->vm_nsegfree++;
292 }
293
294 /*
295  * Add vsp to the appropriate freelist.
296  */
297 static void
298 vmem_freelist_insert(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
299 {
300         vmem_seg_t *vprev;
301
302         ASSERT(*VMEM_HASH(vmp, vsp->vs_start) != vsp);
303
304         vprev = (vmem_seg_t *)&vmp->vm_freelist[highbit(VS_SIZE(vsp)) - 1];
305         vsp->vs_type = VMEM_FREE;
306         vmp->vm_freemap |= VS_SIZE(vprev);
307         VMEM_INSERT(vprev, vsp, k);
308
309         (void) cond_broadcast(&vmp->vm_cv);
310 }
311
312 /*
313  * Take vsp from the freelist.
314  */
315 static void
316 vmem_freelist_delete(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
317 {
318         ASSERT(*VMEM_HASH(vmp, vsp->vs_start) != vsp);
319         ASSERT(vsp->vs_type == VMEM_FREE);
320
321         if (vsp->vs_knext->vs_start == 0 && vsp->vs_kprev->vs_start == 0) {
322                 /*
323                  * The segments on both sides of 'vsp' are freelist heads,
324                  * so taking vsp leaves the freelist at vsp->vs_kprev empty.
325                  */
326                 ASSERT(vmp->vm_freemap & VS_SIZE(vsp->vs_kprev));
327                 vmp->vm_freemap ^= VS_SIZE(vsp->vs_kprev);
328         }
329         VMEM_DELETE(vsp, k);
330 }
331
332 /*
333  * Add vsp to the allocated-segment hash table and update kstats.
334  */
335 static void
336 vmem_hash_insert(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
337 {
338         vmem_seg_t **bucket;
339
340         vsp->vs_type = VMEM_ALLOC;
341         bucket = VMEM_HASH(vmp, vsp->vs_start);
342         vsp->vs_knext = *bucket;
343         *bucket = vsp;
344
345         if (vmem_seg_size == sizeof (vmem_seg_t)) {
346                 vsp->vs_depth = (uint8_t)getpcstack(vsp->vs_stack,
347                     VMEM_STACK_DEPTH, 0);
348                 vsp->vs_thread = thr_self();
349                 vsp->vs_timestamp = gethrtime();
350         } else {
351                 vsp->vs_depth = 0;
352         }
353
354         vmp->vm_kstat.vk_alloc++;
355         vmp->vm_kstat.vk_mem_inuse += VS_SIZE(vsp);
356 }
357
358 /*
359  * Remove vsp from the allocated-segment hash table and update kstats.
360  */
361 static vmem_seg_t *
362 vmem_hash_delete(vmem_t *vmp, uintptr_t addr, size_t size)
363 {
364         vmem_seg_t *vsp, **prev_vspp;
365
366         prev_vspp = VMEM_HASH(vmp, addr);
367         while ((vsp = *prev_vspp) != NULL) {
368                 if (vsp->vs_start == addr) {
369                         *prev_vspp = vsp->vs_knext;
370                         break;
371                 }
372                 vmp->vm_kstat.vk_lookup++;
373                 prev_vspp = &vsp->vs_knext;
374         }
375
376         if (vsp == NULL) {
377                 umem_panic("vmem_hash_delete(%p, %lx, %lu): bad free",
378                     vmp, addr, size);
379         }
380         if (VS_SIZE(vsp) != size) {
381                 umem_panic("vmem_hash_delete(%p, %lx, %lu): wrong size "
382                     "(expect %lu)", vmp, addr, size, VS_SIZE(vsp));
383         }
384
385         vmp->vm_kstat.vk_free++;
386         vmp->vm_kstat.vk_mem_inuse -= size;
387
388         return (vsp);
389 }
390
391 /*
392  * Create a segment spanning the range [start, end) and add it to the arena.
393  */
394 static vmem_seg_t *
395 vmem_seg_create(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vprev, uintptr_t start, uintptr_t end)
396 {
397         vmem_seg_t *newseg = vmem_getseg(vmp);
398
399         newseg->vs_start = start;
400         newseg->vs_end = end;
401         newseg->vs_type = 0;
402         newseg->vs_import = 0;
403
404         VMEM_INSERT(vprev, newseg, a);
405
406         return (newseg);
407 }
408
409 /*
410  * Remove segment vsp from the arena.
411  */
412 static void
413 vmem_seg_destroy(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
414 {
415         ASSERT(vsp->vs_type != VMEM_ROTOR);
416         VMEM_DELETE(vsp, a);
417
418         vmem_putseg(vmp, vsp);
419 }
420
421 /*
422  * Add the span [vaddr, vaddr + size) to vmp and update kstats.
423  */
424 static vmem_seg_t *
425 vmem_span_create(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size, uint8_t import)
426 {
427         vmem_seg_t *knext;
428         vmem_seg_t *newseg, *span;
429         uintptr_t start = (uintptr_t)vaddr;
430         uintptr_t end = start + size;
431
432         knext = &vmp->vm_seg0;
433         if (!import && vmp->vm_source_alloc == NULL) {
434                 vmem_seg_t *kend, *kprev;
435                 /*
436                  * non-imported spans are sorted in address order.  This
437                  * makes vmem_extend_unlocked() much more effective.
438                  *
439                  * We search in reverse order, since new spans are
440                  * generally at higher addresses.
441                  */
442                 kend = &vmp->vm_seg0;
443                 for (kprev = kend->vs_kprev; kprev != kend;
444                     kprev = kprev->vs_kprev) {
445                         if (!kprev->vs_import && (kprev->vs_end - 1) < start)
446                                 break;
447                 }
448                 knext = kprev->vs_knext;
449         }
450
451         ASSERT(MUTEX_HELD(&vmp->vm_lock));
452
453         if ((start | end) & (vmp->vm_quantum - 1)) {
454                 umem_panic("vmem_span_create(%p, %p, %lu): misaligned",
455                     vmp, vaddr, size);
456         }
457
458         span = vmem_seg_create(vmp, knext->vs_aprev, start, end);
459         span->vs_type = VMEM_SPAN;
460         VMEM_INSERT(knext->vs_kprev, span, k);
461
462         newseg = vmem_seg_create(vmp, span, start, end);
463         vmem_freelist_insert(vmp, newseg);
464
465         newseg->vs_import = import;
466         if (import)
467                 vmp->vm_kstat.vk_mem_import += size;
468         vmp->vm_kstat.vk_mem_total += size;
469
470         return (newseg);
471 }
472
473 /*
474  * Remove span vsp from vmp and update kstats.
475  */
476 static void
477 vmem_span_destroy(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp)
478 {
479         vmem_seg_t *span = vsp->vs_aprev;
480         size_t size = VS_SIZE(vsp);
481
482         ASSERT(MUTEX_HELD(&vmp->vm_lock));
483         ASSERT(span->vs_type == VMEM_SPAN);
484
485         if (vsp->vs_import)
486                 vmp->vm_kstat.vk_mem_import -= size;
487         vmp->vm_kstat.vk_mem_total -= size;
488
489         VMEM_DELETE(span, k);
490
491         vmem_seg_destroy(vmp, vsp);
492         vmem_seg_destroy(vmp, span);
493 }
494
495 /*
496  * Allocate the subrange [addr, addr + size) from segment vsp.
497  * If there are leftovers on either side, place them on the freelist.
498  * Returns a pointer to the segment representing [addr, addr + size).
499  */
500 static vmem_seg_t *
501 vmem_seg_alloc(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *vsp, uintptr_t addr, size_t size)
502 {
503         uintptr_t vs_start = vsp->vs_start;
504         uintptr_t vs_end = vsp->vs_end;
505         size_t vs_size = vs_end - vs_start;
506         size_t realsize = P2ROUNDUP(size, vmp->vm_quantum);
507         uintptr_t addr_end = addr + realsize;
508
509         ASSERT(P2PHASE(vs_start, vmp->vm_quantum) == 0);
510         ASSERT(P2PHASE(addr, vmp->vm_quantum) == 0);
511         ASSERT(vsp->vs_type == VMEM_FREE);
512         ASSERT(addr >= vs_start && addr_end - 1 <= vs_end - 1);
513         ASSERT(addr - 1 <= addr_end - 1);
514
515         /*
516          * If we're allocating from the start of the segment, and the
517          * remainder will be on the same freelist, we can save quite
518          * a bit of work.
519          */
520         if (P2SAMEHIGHBIT(vs_size, vs_size - realsize) && addr == vs_start) {
521                 ASSERT(highbit(vs_size) == highbit(vs_size - realsize));
522                 vsp->vs_start = addr_end;
523                 vsp = vmem_seg_create(vmp, vsp->vs_aprev, addr, addr + size);
524                 vmem_hash_insert(vmp, vsp);
525                 return (vsp);
526         }
527
528         vmem_freelist_delete(vmp, vsp);
529
530         if (vs_end != addr_end)
531                 vmem_freelist_insert(vmp,
532                     vmem_seg_create(vmp, vsp, addr_end, vs_end));
533
534         if (vs_start != addr)
535                 vmem_freelist_insert(vmp,
536                     vmem_seg_create(vmp, vsp->vs_aprev, vs_start, addr));
537
538         vsp->vs_start = addr;
539         vsp->vs_end = addr + size;
540
541         vmem_hash_insert(vmp, vsp);
542         return (vsp);
543 }
544
545 /*
546  * We cannot reap if we are in the middle of a vmem_populate().
547  */
548 void
549 vmem_reap(void)
550 {
551         if (!IN_POPULATE())
552                 umem_reap();
553 }
554
555 /*
556  * Populate vmp's segfree list with VMEM_MINFREE vmem_seg_t structures.
557  */
558 static int
559 vmem_populate(vmem_t *vmp, int vmflag)
560 {
561         char *p;
562         vmem_seg_t *vsp;
563         ssize_t nseg;
564         size_t size;
565         vmem_populate_lock_t *lp;
566         int i;
567
568         while (vmp->vm_nsegfree < VMEM_MINFREE &&
569             (vsp = vmem_getseg_global()) != NULL)
570                 vmem_putseg(vmp, vsp);
571
572         if (vmp->vm_nsegfree >= VMEM_MINFREE)
573                 return (1);
574
575         /*
576          * If we're already populating, tap the reserve.
577          */
578         if (vmem_nosleep_lock.vmpl_thr == thr_self()) {
579                 ASSERT(vmp->vm_cflags & VMC_POPULATOR);
580                 return (1);
581         }
582
583         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
584
585         ASSERT(vmflag & VM_NOSLEEP);    /* we do not allow sleep allocations */
586         lp = &vmem_nosleep_lock;
587
588         /*
589          * Cannot be just a mutex_lock(), since that has no effect if
590          * libthread is not linked.
591          */
592         (void) mutex_lock(&lp->vmpl_mutex);
593         ASSERT(lp->vmpl_thr == 0);
594         lp->vmpl_thr = thr_self();
595
596         nseg = VMEM_MINFREE + vmem_populators * VMEM_POPULATE_RESERVE;
597         size = P2ROUNDUP(nseg * vmem_seg_size, vmem_seg_arena->vm_quantum);
598         nseg = size / vmem_seg_size;
599
600         /*
601          * The following vmem_alloc() may need to populate vmem_seg_arena
602          * and all the things it imports from.  When doing so, it will tap
603          * each arena's reserve to prevent recursion (see the block comment
604          * above the definition of VMEM_POPULATE_RESERVE).
605          *
606          * During this allocation, vmem_reap() is a no-op.  If the allocation
607          * fails, we call vmem_reap() after dropping the population lock.
608          */
609         p = vmem_alloc(vmem_seg_arena, size, vmflag & VM_UMFLAGS);
610         if (p == NULL) {
611                 lp->vmpl_thr = 0;
612                 (void) mutex_unlock(&lp->vmpl_mutex);
613                 vmem_reap();
614
615                 (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
616                 vmp->vm_kstat.vk_populate_fail++;
617                 return (0);
618         }
619         /*
620          * Restock the arenas that may have been depleted during population.
621          */
622         for (i = 0; i < vmem_populators; i++) {
623                 (void) mutex_lock(&vmem_populator[i]->vm_lock);
624                 while (vmem_populator[i]->vm_nsegfree < VMEM_POPULATE_RESERVE)
625                         vmem_putseg(vmem_populator[i],
626                             (vmem_seg_t *)(p + --nseg * vmem_seg_size));
627                 (void) mutex_unlock(&vmem_populator[i]->vm_lock);
628         }
629
630         lp->vmpl_thr = 0;
631         (void) mutex_unlock(&lp->vmpl_mutex);
632         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
633
634         /*
635          * Now take our own segments.
636          */
637         ASSERT(nseg >= VMEM_MINFREE);
638         while (vmp->vm_nsegfree < VMEM_MINFREE)
639                 vmem_putseg(vmp, (vmem_seg_t *)(p + --nseg * vmem_seg_size));
640
641         /*
642          * Give the remainder to charity.
643          */
644         while (nseg > 0)
645                 vmem_putseg_global((vmem_seg_t *)(p + --nseg * vmem_seg_size));
646
647         return (1);
648 }
649
650 /*
651  * Advance a walker from its previous position to 'afterme'.
652  * Note: may drop and reacquire vmp->vm_lock.
653  */
654 static void
655 vmem_advance(vmem_t *vmp, vmem_seg_t *walker, vmem_seg_t *afterme)
656 {
657         vmem_seg_t *vprev = walker->vs_aprev;
658         vmem_seg_t *vnext = walker->vs_anext;
659         vmem_seg_t *vsp = NULL;
660
661         VMEM_DELETE(walker, a);
662
663         if (afterme != NULL)
664                 VMEM_INSERT(afterme, walker, a);
665
666         /*
667          * The walker segment's presence may have prevented its neighbors
668          * from coalescing.  If so, coalesce them now.
669          */
670         if (vprev->vs_type == VMEM_FREE) {
671                 if (vnext->vs_type == VMEM_FREE) {
672                         ASSERT(vprev->vs_end == vnext->vs_start);
673                         vmem_freelist_delete(vmp, vnext);
674                         vmem_freelist_delete(vmp, vprev);
675                         vprev->vs_end = vnext->vs_end;
676                         vmem_freelist_insert(vmp, vprev);
677                         vmem_seg_destroy(vmp, vnext);
678                 }
679                 vsp = vprev;
680         } else if (vnext->vs_type == VMEM_FREE) {
681                 vsp = vnext;
682         }
683
684         /*
685          * vsp could represent a complete imported span,
686          * in which case we must return it to the source.
687          */
688         if (vsp != NULL && vsp->vs_import && vmp->vm_source_free != NULL &&
689             vsp->vs_aprev->vs_type == VMEM_SPAN &&
690             vsp->vs_anext->vs_type == VMEM_SPAN) {
691                 void *vaddr = (void *)vsp->vs_start;
692                 size_t size = VS_SIZE(vsp);
693                 ASSERT(size == VS_SIZE(vsp->vs_aprev));
694                 vmem_freelist_delete(vmp, vsp);
695                 vmem_span_destroy(vmp, vsp);
696                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
697                 vmp->vm_source_free(vmp->vm_source, vaddr, size);
698                 (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
699         }
700 }
701
702 /*
703  * VM_NEXTFIT allocations deliberately cycle through all virtual addresses
704  * in an arena, so that we avoid reusing addresses for as long as possible.
705  * This helps to catch used-after-freed bugs.  It's also the perfect policy
706  * for allocating things like process IDs, where we want to cycle through
707  * all values in order.
708  */
709 static void *
710 vmem_nextfit_alloc(vmem_t *vmp, size_t size, int vmflag)
711 {
712         vmem_seg_t *vsp, *rotor;
713         uintptr_t addr;
714         size_t realsize = P2ROUNDUP(size, vmp->vm_quantum);
715         size_t vs_size;
716
717         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
718
719         if (vmp->vm_nsegfree < VMEM_MINFREE && !vmem_populate(vmp, vmflag)) {
720                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
721                 return (NULL);
722         }
723
724         /*
725          * The common case is that the segment right after the rotor is free,
726          * and large enough that extracting 'size' bytes won't change which
727          * freelist it's on.  In this case we can avoid a *lot* of work.
728          * Instead of the normal vmem_seg_alloc(), we just advance the start
729          * address of the victim segment.  Instead of moving the rotor, we
730          * create the new segment structure *behind the rotor*, which has
731          * the same effect.  And finally, we know we don't have to coalesce
732          * the rotor's neighbors because the new segment lies between them.
733          */
734         rotor = &vmp->vm_rotor;
735         vsp = rotor->vs_anext;
736         if (vsp->vs_type == VMEM_FREE && (vs_size = VS_SIZE(vsp)) > realsize &&
737             P2SAMEHIGHBIT(vs_size, vs_size - realsize)) {
738                 ASSERT(highbit(vs_size) == highbit(vs_size - realsize));
739                 addr = vsp->vs_start;
740                 vsp->vs_start = addr + realsize;
741                 vmem_hash_insert(vmp,
742                     vmem_seg_create(vmp, rotor->vs_aprev, addr, addr + size));
743                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
744                 return ((void *)addr);
745         }
746
747         /*
748          * Starting at the rotor, look for a segment large enough to
749          * satisfy the allocation.
750          */
751         for (;;) {
752                 vmp->vm_kstat.vk_search++;
753                 if (vsp->vs_type == VMEM_FREE && VS_SIZE(vsp) >= size)
754                         break;
755                 vsp = vsp->vs_anext;
756                 if (vsp == rotor) {
757                         int cancel_state;
758
759                         /*
760                          * We've come full circle.  One possibility is that the
761                          * there's actually enough space, but the rotor itself
762                          * is preventing the allocation from succeeding because
763                          * it's sitting between two free segments.  Therefore,
764                          * we advance the rotor and see if that liberates a
765                          * suitable segment.
766                          */
767                         vmem_advance(vmp, rotor, rotor->vs_anext);
768                         vsp = rotor->vs_aprev;
769                         if (vsp->vs_type == VMEM_FREE && VS_SIZE(vsp) >= size)
770                                 break;
771                         /*
772                          * If there's a lower arena we can import from, or it's
773                          * a VM_NOSLEEP allocation, let vmem_xalloc() handle it.
774                          * Otherwise, wait until another thread frees something.
775                          */
776                         if (vmp->vm_source_alloc != NULL ||
777                             (vmflag & VM_NOSLEEP)) {
778                                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
779                                 return (vmem_xalloc(vmp, size, vmp->vm_quantum,
780                                     0, 0, NULL, NULL, vmflag & VM_UMFLAGS));
781                         }
782                         vmp->vm_kstat.vk_wait++;
783                         (void) pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,
784                             &cancel_state);
785                         (void) cond_wait(&vmp->vm_cv, &vmp->vm_lock);
786                         (void) pthread_setcancelstate(cancel_state, NULL);
787                         vsp = rotor->vs_anext;
788                 }
789         }
790
791         /*
792          * We found a segment.  Extract enough space to satisfy the allocation.
793          */
794         addr = vsp->vs_start;
795         vsp = vmem_seg_alloc(vmp, vsp, addr, size);
796         ASSERT(vsp->vs_type == VMEM_ALLOC &&
797             vsp->vs_start == addr && vsp->vs_end == addr + size);
798
799         /*
800          * Advance the rotor to right after the newly-allocated segment.
801          * That's where the next VM_NEXTFIT allocation will begin searching.
802          */
803         vmem_advance(vmp, rotor, vsp);
804         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
805         return ((void *)addr);
806 }
807
808 /*
809  * Allocate size bytes at offset phase from an align boundary such that the
810  * resulting segment [addr, addr + size) is a subset of [minaddr, maxaddr)
811  * that does not straddle a nocross-aligned boundary.
812  */
813 void *
814 vmem_xalloc(vmem_t *vmp, size_t size, size_t align, size_t phase,
815         size_t nocross, void *minaddr, void *maxaddr, int vmflag)
816 {
817         vmem_seg_t *vsp;
818         vmem_seg_t *vbest = NULL;
819         uintptr_t addr, taddr, start, end;
820         void *vaddr;
821         int hb, flist, resv;
822         uint32_t mtbf;
823
824         if (phase > 0 && phase >= align)
825                 umem_panic("vmem_xalloc(%p, %lu, %lu, %lu, %lu, %p, %p, %x): "
826                     "invalid phase",
827                     (void *)vmp, size, align, phase, nocross,
828                     minaddr, maxaddr, vmflag);
829
830         if (align == 0)
831                 align = vmp->vm_quantum;
832
833         if ((align | phase | nocross) & (vmp->vm_quantum - 1)) {
834                 umem_panic("vmem_xalloc(%p, %lu, %lu, %lu, %lu, %p, %p, %x): "
835                     "parameters not vm_quantum aligned",
836                     (void *)vmp, size, align, phase, nocross,
837                     minaddr, maxaddr, vmflag);
838         }
839
840         if (nocross != 0 &&
841             (align > nocross || P2ROUNDUP(phase + size, align) > nocross)) {
842                 umem_panic("vmem_xalloc(%p, %lu, %lu, %lu, %lu, %p, %p, %x): "
843                     "overconstrained allocation",
844                     (void *)vmp, size, align, phase, nocross,
845                     minaddr, maxaddr, vmflag);
846         }
847
848         if ((mtbf = vmem_mtbf | vmp->vm_mtbf) != 0 && gethrtime() % mtbf == 0 &&
849             (vmflag & (VM_NOSLEEP | VM_PANIC)) == VM_NOSLEEP)
850                 return (NULL);
851
852         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
853         for (;;) {
854                 int cancel_state;
855
856                 if (vmp->vm_nsegfree < VMEM_MINFREE &&
857                     !vmem_populate(vmp, vmflag))
858                         break;
859
860                 /*
861                  * highbit() returns the highest bit + 1, which is exactly
862                  * what we want: we want to search the first freelist whose
863                  * members are *definitely* large enough to satisfy our
864                  * allocation.  However, there are certain cases in which we
865                  * want to look at the next-smallest freelist (which *might*
866                  * be able to satisfy the allocation):
867                  *
868                  * (1)  The size is exactly a power of 2, in which case
869                  *      the smaller freelist is always big enough;
870                  *
871                  * (2)  All other freelists are empty;
872                  *
873                  * (3)  We're in the highest possible freelist, which is
874                  *      always empty (e.g. the 4GB freelist on 32-bit systems);
875                  *
876                  * (4)  We're doing a best-fit or first-fit allocation.
877                  */
878                 if ((size & (size - 1)) == 0) {
879                         flist = lowbit(P2ALIGN(vmp->vm_freemap, size));
880                 } else {
881                         hb = highbit(size);
882                         if ((vmp->vm_freemap >> hb) == 0 ||
883                             hb == VMEM_FREELISTS ||
884                             (vmflag & (VM_BESTFIT | VM_FIRSTFIT)))
885                                 hb--;
886                         flist = lowbit(P2ALIGN(vmp->vm_freemap, 1UL << hb));
887                 }
888
889                 for (vbest = NULL, vsp = (flist == 0) ? NULL :
890                     vmp->vm_freelist[flist - 1].vs_knext;
891                     vsp != NULL; vsp = vsp->vs_knext) {
892                         vmp->vm_kstat.vk_search++;
893                         if (vsp->vs_start == 0) {
894                                 /*
895                                  * We're moving up to a larger freelist,
896                                  * so if we've already found a candidate,
897                                  * the fit can't possibly get any better.
898                                  */
899                                 if (vbest != NULL)
900                                         break;
901                                 /*
902                                  * Find the next non-empty freelist.
903                                  */
904                                 flist = lowbit(P2ALIGN(vmp->vm_freemap,
905                                     VS_SIZE(vsp)));
906                                 if (flist-- == 0)
907                                         break;
908                                 vsp = (vmem_seg_t *)&vmp->vm_freelist[flist];
909                                 ASSERT(vsp->vs_knext->vs_type == VMEM_FREE);
910                                 continue;
911                         }
912                         if (vsp->vs_end - 1 < (uintptr_t)minaddr)
913                                 continue;
914                         if (vsp->vs_start > (uintptr_t)maxaddr - 1)
915                                 continue;
916                         start = MAX(vsp->vs_start, (uintptr_t)minaddr);
917                         end = MIN(vsp->vs_end - 1, (uintptr_t)maxaddr - 1) + 1;
918                         taddr = P2PHASEUP(start, align, phase);
919                         if (P2BOUNDARY(taddr, size, nocross))
920                                 taddr +=
921                                     P2ROUNDUP(P2NPHASE(taddr, nocross), align);
922                         if ((taddr - start) + size > end - start ||
923                             (vbest != NULL && VS_SIZE(vsp) >= VS_SIZE(vbest)))
924                                 continue;
925                         vbest = vsp;
926                         addr = taddr;
927                         if (!(vmflag & VM_BESTFIT) || VS_SIZE(vbest) == size)
928                                 break;
929                 }
930                 if (vbest != NULL)
931                         break;
932                 if (size == 0)
933                         umem_panic("vmem_xalloc(): size == 0");
934                 if (vmp->vm_source_alloc != NULL && nocross == 0 &&
935                     minaddr == NULL && maxaddr == NULL) {
936                         size_t asize = P2ROUNDUP(size + phase,
937                             MAX(align, vmp->vm_source->vm_quantum));
938                         if (asize < size) {             /* overflow */
939                                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
940                                 if (vmflag & VM_NOSLEEP)
941                                         return (NULL);
942
943                                 umem_panic("vmem_xalloc(): "
944                                     "overflow on VM_SLEEP allocation");
945                         }
946                         /*
947                          * Determine how many segment structures we'll consume.
948                          * The calculation must be presise because if we're
949                          * here on behalf of vmem_populate(), we are taking
950                          * segments from a very limited reserve.
951                          */
952                         resv = (size == asize) ?
953                             VMEM_SEGS_PER_SPAN_CREATE +
954                             VMEM_SEGS_PER_EXACT_ALLOC :
955                             VMEM_SEGS_PER_ALLOC_MAX;
956                         ASSERT(vmp->vm_nsegfree >= resv);
957                         vmp->vm_nsegfree -= resv;       /* reserve our segs */
958                         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
959                         vaddr = vmp->vm_source_alloc(vmp->vm_source, asize,
960                             vmflag & VM_UMFLAGS);
961                         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
962                         vmp->vm_nsegfree += resv;       /* claim reservation */
963                         if (vaddr != NULL) {
964                                 vbest = vmem_span_create(vmp, vaddr, asize, 1);
965                                 addr = P2PHASEUP(vbest->vs_start, align, phase);
966                                 break;
967                         }
968                 }
969                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
970                 vmem_reap();
971                 (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
972                 if (vmflag & VM_NOSLEEP)
973                         break;
974                 vmp->vm_kstat.vk_wait++;
975                 (void) pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,
976                     &cancel_state);
977                 (void) cond_wait(&vmp->vm_cv, &vmp->vm_lock);
978                 (void) pthread_setcancelstate(cancel_state, NULL);
979         }
980         if (vbest != NULL) {
981                 ASSERT(vbest->vs_type == VMEM_FREE);
982                 ASSERT(vbest->vs_knext != vbest);
983                 (void) vmem_seg_alloc(vmp, vbest, addr, size);
984                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
985                 ASSERT(P2PHASE(addr, align) == phase);
986                 ASSERT(!P2BOUNDARY(addr, size, nocross));
987                 ASSERT(addr >= (uintptr_t)minaddr);
988                 ASSERT(addr + size - 1 <= (uintptr_t)maxaddr - 1);
989                 return ((void *)addr);
990         }
991         vmp->vm_kstat.vk_fail++;
992         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
993         if (vmflag & VM_PANIC)
994                 umem_panic("vmem_xalloc(%p, %lu, %lu, %lu, %lu, %p, %p, %x): "
995                     "cannot satisfy mandatory allocation",
996                     (void *)vmp, size, align, phase, nocross,
997                     minaddr, maxaddr, vmflag);
998         return (NULL);
999 }
1000
1001 /*
1002  * Free the segment [vaddr, vaddr + size), where vaddr was a constrained
1003  * allocation.  vmem_xalloc() and vmem_xfree() must always be paired because
1004  * both routines bypass the quantum caches.
1005  */
1006 void
1007 vmem_xfree(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size)
1008 {
1009         vmem_seg_t *vsp, *vnext, *vprev;
1010
1011         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1012
1013         vsp = vmem_hash_delete(vmp, (uintptr_t)vaddr, size);
1014         vsp->vs_end = P2ROUNDUP(vsp->vs_end, vmp->vm_quantum);
1015
1016         /*
1017          * Attempt to coalesce with the next segment.
1018          */
1019         vnext = vsp->vs_anext;
1020         if (vnext->vs_type == VMEM_FREE) {
1021                 ASSERT(vsp->vs_end == vnext->vs_start);
1022                 vmem_freelist_delete(vmp, vnext);
1023                 vsp->vs_end = vnext->vs_end;
1024                 vmem_seg_destroy(vmp, vnext);
1025         }
1026
1027         /*
1028          * Attempt to coalesce with the previous segment.
1029          */
1030         vprev = vsp->vs_aprev;
1031         if (vprev->vs_type == VMEM_FREE) {
1032                 ASSERT(vprev->vs_end == vsp->vs_start);
1033                 vmem_freelist_delete(vmp, vprev);
1034                 vprev->vs_end = vsp->vs_end;
1035                 vmem_seg_destroy(vmp, vsp);
1036                 vsp = vprev;
1037         }
1038
1039         /*
1040          * If the entire span is free, return it to the source.
1041          */
1042         if (vsp->vs_import && vmp->vm_source_free != NULL &&
1043             vsp->vs_aprev->vs_type == VMEM_SPAN &&
1044             vsp->vs_anext->vs_type == VMEM_SPAN) {
1045                 vaddr = (void *)vsp->vs_start;
1046                 size = VS_SIZE(vsp);
1047                 ASSERT(size == VS_SIZE(vsp->vs_aprev));
1048                 vmem_span_destroy(vmp, vsp);
1049                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1050                 vmp->vm_source_free(vmp->vm_source, vaddr, size);
1051         } else {
1052                 vmem_freelist_insert(vmp, vsp);
1053                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1054         }
1055 }
1056
1057 /*
1058  * Allocate size bytes from arena vmp.  Returns the allocated address
1059  * on success, NULL on failure.  vmflag specifies VM_SLEEP or VM_NOSLEEP,
1060  * and may also specify best-fit, first-fit, or next-fit allocation policy
1061  * instead of the default instant-fit policy.  VM_SLEEP allocations are
1062  * guaranteed to succeed.
1063  */
1064 void *
1065 vmem_alloc(vmem_t *vmp, size_t size, int vmflag)
1066 {
1067         vmem_seg_t *vsp;
1068         uintptr_t addr;
1069         int hb;
1070         int flist = 0;
1071         uint32_t mtbf;
1072
1073         if (size - 1 < vmp->vm_qcache_max) {
1074                 ASSERT(vmflag & VM_NOSLEEP);
1075                 return (_umem_cache_alloc(vmp->vm_qcache[(size - 1) >>
1076                     vmp->vm_qshift], UMEM_DEFAULT));
1077         }
1078
1079         if ((mtbf = vmem_mtbf | vmp->vm_mtbf) != 0 && gethrtime() % mtbf == 0 &&
1080             (vmflag & (VM_NOSLEEP | VM_PANIC)) == VM_NOSLEEP)
1081                 return (NULL);
1082
1083         if (vmflag & VM_NEXTFIT)
1084                 return (vmem_nextfit_alloc(vmp, size, vmflag));
1085
1086         if (vmflag & (VM_BESTFIT | VM_FIRSTFIT))
1087                 return (vmem_xalloc(vmp, size, vmp->vm_quantum, 0, 0,
1088                     NULL, NULL, vmflag));
1089
1090         /*
1091          * Unconstrained instant-fit allocation from the segment list.
1092          */
1093         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1094
1095         if (vmp->vm_nsegfree >= VMEM_MINFREE || vmem_populate(vmp, vmflag)) {
1096                 if ((size & (size - 1)) == 0)
1097                         flist = lowbit(P2ALIGN(vmp->vm_freemap, size));
1098                 else if ((hb = highbit(size)) < VMEM_FREELISTS)
1099                         flist = lowbit(P2ALIGN(vmp->vm_freemap, 1UL << hb));
1100         }
1101
1102         if (flist-- == 0) {
1103                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1104                 return (vmem_xalloc(vmp, size, vmp->vm_quantum,
1105                     0, 0, NULL, NULL, vmflag));
1106         }
1107
1108         ASSERT(size <= (1UL << flist));
1109         vsp = vmp->vm_freelist[flist].vs_knext;
1110         addr = vsp->vs_start;
1111         (void) vmem_seg_alloc(vmp, vsp, addr, size);
1112         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1113         return ((void *)addr);
1114 }
1115
1116 /*
1117  * Free the segment [vaddr, vaddr + size).
1118  */
1119 void
1120 vmem_free(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size)
1121 {
1122         if (size - 1 < vmp->vm_qcache_max)
1123                 _umem_cache_free(vmp->vm_qcache[(size - 1) >> vmp->vm_qshift],
1124                     vaddr);
1125         else
1126                 vmem_xfree(vmp, vaddr, size);
1127 }
1128
1129 /*
1130  * Determine whether arena vmp contains the segment [vaddr, vaddr + size).
1131  */
1132 int
1133 vmem_contains(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size)
1134 {
1135         uintptr_t start = (uintptr_t)vaddr;
1136         uintptr_t end = start + size;
1137         vmem_seg_t *vsp;
1138         vmem_seg_t *seg0 = &vmp->vm_seg0;
1139
1140         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1141         vmp->vm_kstat.vk_contains++;
1142         for (vsp = seg0->vs_knext; vsp != seg0; vsp = vsp->vs_knext) {
1143                 vmp->vm_kstat.vk_contains_search++;
1144                 ASSERT(vsp->vs_type == VMEM_SPAN);
1145                 if (start >= vsp->vs_start && end - 1 <= vsp->vs_end - 1)
1146                         break;
1147         }
1148         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1149         return (vsp != seg0);
1150 }
1151
1152 /*
1153  * Add the span [vaddr, vaddr + size) to arena vmp.
1154  */
1155 void *
1156 vmem_add(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size, int vmflag)
1157 {
1158         if (vaddr == NULL || size == 0) {
1159                 umem_panic("vmem_add(%p, %p, %lu): bad arguments",
1160                     vmp, vaddr, size);
1161         }
1162
1163         ASSERT(!vmem_contains(vmp, vaddr, size));
1164
1165         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1166         if (vmem_populate(vmp, vmflag))
1167                 (void) vmem_span_create(vmp, vaddr, size, 0);
1168         else
1169                 vaddr = NULL;
1170         (void) cond_broadcast(&vmp->vm_cv);
1171         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1172         return (vaddr);
1173 }
1174
1175 /*
1176  * Adds the address range [addr, endaddr) to arena vmp, by either:
1177  *   1. joining two existing spans, [x, addr), and [endaddr, y) (which
1178  *      are in that order) into a single [x, y) span,
1179  *   2. expanding an existing [x, addr) span to [x, endaddr),
1180  *   3. expanding an existing [endaddr, x) span to [addr, x), or
1181  *   4. creating a new [addr, endaddr) span.
1182  *
1183  * Called with vmp->vm_lock held, and a successful vmem_populate() completed.
1184  * Cannot fail.  Returns the new segment.
1185  *
1186  * NOTE:  this algorithm is linear-time in the number of spans, but is
1187  *      constant-time when you are extending the last (highest-addressed)
1188  *      span.
1189  */
1190 static vmem_seg_t *
1191 vmem_extend_unlocked(vmem_t *vmp, uintptr_t addr, uintptr_t endaddr)
1192 {
1193         vmem_seg_t *span;
1194         vmem_seg_t *vsp;
1195
1196         vmem_seg_t *end = &vmp->vm_seg0;
1197
1198         ASSERT(MUTEX_HELD(&vmp->vm_lock));
1199
1200         /*
1201          * the second "if" clause below relies on the direction of this search
1202          */
1203         for (span = end->vs_kprev; span != end; span = span->vs_kprev) {
1204                 if (span->vs_end == addr || span->vs_start == endaddr)
1205                         break;
1206         }
1207
1208         if (span == end)
1209                 return (vmem_span_create(vmp, (void *)addr, endaddr - addr, 0));
1210         if (span->vs_kprev->vs_end == addr && span->vs_start == endaddr) {
1211                 vmem_seg_t *prevspan = span->vs_kprev;
1212                 vmem_seg_t *nextseg = span->vs_anext;
1213                 vmem_seg_t *prevseg = span->vs_aprev;
1214
1215                 /*
1216                  * prevspan becomes the span marker for the full range
1217                  */
1218                 prevspan->vs_end = span->vs_end;
1219
1220                 /*
1221                  * Notionally, span becomes a free segment representing
1222                  * [addr, endaddr).
1223                  *
1224                  * However, if either of its neighbors are free, we coalesce
1225                  * by destroying span and changing the free segment.
1226                  */
1227                 if (prevseg->vs_type == VMEM_FREE &&
1228                     nextseg->vs_type == VMEM_FREE) {
1229                         /*
1230                          * coalesce both ways
1231                          */
1232                         ASSERT(prevseg->vs_end == addr &&
1233                             nextseg->vs_start == endaddr);
1234
1235                         vmem_freelist_delete(vmp, prevseg);
1236                         prevseg->vs_end = nextseg->vs_end;
1237
1238                         vmem_freelist_delete(vmp, nextseg);
1239                         VMEM_DELETE(span, k);
1240                         vmem_seg_destroy(vmp, nextseg);
1241                         vmem_seg_destroy(vmp, span);
1242
1243                         vsp = prevseg;
1244                 } else if (prevseg->vs_type == VMEM_FREE) {
1245                         /*
1246                          * coalesce left
1247                          */
1248                         ASSERT(prevseg->vs_end == addr);
1249
1250                         VMEM_DELETE(span, k);
1251                         vmem_seg_destroy(vmp, span);
1252
1253                         vmem_freelist_delete(vmp, prevseg);
1254                         prevseg->vs_end = endaddr;
1255
1256                         vsp = prevseg;
1257                 } else if (nextseg->vs_type == VMEM_FREE) {
1258                         /*
1259                          * coalesce right
1260                          */
1261                         ASSERT(nextseg->vs_start == endaddr);
1262
1263                         VMEM_DELETE(span, k);
1264                         vmem_seg_destroy(vmp, span);
1265
1266                         vmem_freelist_delete(vmp, nextseg);
1267                         nextseg->vs_start = addr;
1268
1269                         vsp = nextseg;
1270                 } else {
1271                         /*
1272                          * cannnot coalesce
1273                          */
1274                         VMEM_DELETE(span, k);
1275                         span->vs_start = addr;
1276                         span->vs_end = endaddr;
1277
1278                         vsp = span;
1279                 }
1280         } else if (span->vs_end == addr) {
1281                 vmem_seg_t *oldseg = span->vs_knext->vs_aprev;
1282                 span->vs_end = endaddr;
1283
1284                 ASSERT(oldseg->vs_type != VMEM_SPAN);
1285                 if (oldseg->vs_type == VMEM_FREE) {
1286                         ASSERT(oldseg->vs_end == addr);
1287                         vmem_freelist_delete(vmp, oldseg);
1288                         oldseg->vs_end = endaddr;
1289                         vsp = oldseg;
1290                 } else
1291                         vsp = vmem_seg_create(vmp, oldseg, addr, endaddr);
1292         } else {
1293                 vmem_seg_t *oldseg = span->vs_anext;
1294                 ASSERT(span->vs_start == endaddr);
1295                 span->vs_start = addr;
1296
1297                 ASSERT(oldseg->vs_type != VMEM_SPAN);
1298                 if (oldseg->vs_type == VMEM_FREE) {
1299                         ASSERT(oldseg->vs_start == endaddr);
1300                         vmem_freelist_delete(vmp, oldseg);
1301                         oldseg->vs_start = addr;
1302                         vsp = oldseg;
1303                 } else
1304                         vsp = vmem_seg_create(vmp, span, addr, endaddr);
1305         }
1306         vmem_freelist_insert(vmp, vsp);
1307         vmp->vm_kstat.vk_mem_total += (endaddr - addr);
1308         return (vsp);
1309 }
1310
1311 /*
1312  * Does some error checking, calls vmem_extend_unlocked to add
1313  * [vaddr, vaddr+size) to vmp, then allocates alloc bytes from the
1314  * newly merged segment.
1315  */
1316 void *
1317 _vmem_extend_alloc(vmem_t *vmp, void *vaddr, size_t size, size_t alloc,
1318     int vmflag)
1319 {
1320         uintptr_t addr = (uintptr_t)vaddr;
1321         uintptr_t endaddr = addr + size;
1322         vmem_seg_t *vsp;
1323
1324         ASSERT(vaddr != NULL && size != 0 && endaddr > addr);
1325         ASSERT(alloc <= size && alloc != 0);
1326         ASSERT(((addr | size | alloc) & (vmp->vm_quantum - 1)) == 0);
1327
1328         ASSERT(!vmem_contains(vmp, vaddr, size));
1329
1330         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1331         if (!vmem_populate(vmp, vmflag)) {
1332                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1333                 return (NULL);
1334         }
1335         /*
1336          * if there is a source, we can't mess with the spans
1337          */
1338         if (vmp->vm_source_alloc != NULL)
1339                 vsp = vmem_span_create(vmp, vaddr, size, 0);
1340         else
1341                 vsp = vmem_extend_unlocked(vmp, addr, endaddr);
1342
1343         ASSERT(VS_SIZE(vsp) >= alloc);
1344
1345         addr = vsp->vs_start;
1346         (void) vmem_seg_alloc(vmp, vsp, addr, alloc);
1347         vaddr = (void *)addr;
1348
1349         (void) cond_broadcast(&vmp->vm_cv);
1350         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1351
1352         return (vaddr);
1353 }
1354
1355 /*
1356  * Walk the vmp arena, applying func to each segment matching typemask.
1357  * If VMEM_REENTRANT is specified, the arena lock is dropped across each
1358  * call to func(); otherwise, it is held for the duration of vmem_walk()
1359  * to ensure a consistent snapshot.  Note that VMEM_REENTRANT callbacks
1360  * are *not* necessarily consistent, so they may only be used when a hint
1361  * is adequate.
1362  */
1363 void
1364 vmem_walk(vmem_t *vmp, int typemask,
1365         void (*func)(void *, void *, size_t), void *arg)
1366 {
1367         vmem_seg_t *vsp;
1368         vmem_seg_t *seg0 = &vmp->vm_seg0;
1369         vmem_seg_t walker;
1370
1371         if (typemask & VMEM_WALKER)
1372                 return;
1373
1374         bzero(&walker, sizeof (walker));
1375         walker.vs_type = VMEM_WALKER;
1376
1377         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1378         VMEM_INSERT(seg0, &walker, a);
1379         for (vsp = seg0->vs_anext; vsp != seg0; vsp = vsp->vs_anext) {
1380                 if (vsp->vs_type & typemask) {
1381                         void *start = (void *)vsp->vs_start;
1382                         size_t size = VS_SIZE(vsp);
1383                         if (typemask & VMEM_REENTRANT) {
1384                                 vmem_advance(vmp, &walker, vsp);
1385                                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1386                                 func(arg, start, size);
1387                                 (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1388                                 vsp = &walker;
1389                         } else {
1390                                 func(arg, start, size);
1391                         }
1392                 }
1393         }
1394         vmem_advance(vmp, &walker, NULL);
1395         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1396 }
1397
1398 /*
1399  * Return the total amount of memory whose type matches typemask.  Thus:
1400  *
1401  *      typemask VMEM_ALLOC yields total memory allocated (in use).
1402  *      typemask VMEM_FREE yields total memory free (available).
1403  *      typemask (VMEM_ALLOC | VMEM_FREE) yields total arena size.
1404  */
1405 size_t
1406 vmem_size(vmem_t *vmp, int typemask)
1407 {
1408         uint64_t size = 0;
1409
1410         if (typemask & VMEM_ALLOC)
1411                 size += vmp->vm_kstat.vk_mem_inuse;
1412         if (typemask & VMEM_FREE)
1413                 size += vmp->vm_kstat.vk_mem_total -
1414                     vmp->vm_kstat.vk_mem_inuse;
1415         return ((size_t)size);
1416 }
1417
1418 /*
1419  * Create an arena called name whose initial span is [base, base + size).
1420  * The arena's natural unit of currency is quantum, so vmem_alloc()
1421  * guarantees quantum-aligned results.  The arena may import new spans
1422  * by invoking afunc() on source, and may return those spans by invoking
1423  * ffunc() on source.  To make small allocations fast and scalable,
1424  * the arena offers high-performance caching for each integer multiple
1425  * of quantum up to qcache_max.
1426  */
1427 vmem_t *
1428 vmem_create(const char *name, void *base, size_t size, size_t quantum,
1429         vmem_alloc_t *afunc, vmem_free_t *ffunc, vmem_t *source,
1430         size_t qcache_max, int vmflag)
1431 {
1432         int i;
1433         size_t nqcache;
1434         vmem_t *vmp, *cur, **vmpp;
1435         vmem_seg_t *vsp;
1436         vmem_freelist_t *vfp;
1437         uint32_t id = atomic_add_32_nv(&vmem_id, 1);
1438
1439         if (vmem_vmem_arena != NULL) {
1440                 vmp = vmem_alloc(vmem_vmem_arena, sizeof (vmem_t),
1441                     vmflag & VM_UMFLAGS);
1442         } else {
1443                 ASSERT(id <= VMEM_INITIAL);
1444                 vmp = &vmem0[id - 1];
1445         }
1446
1447         if (vmp == NULL)
1448                 return (NULL);
1449         bzero(vmp, sizeof (vmem_t));
1450
1451         (void) snprintf(vmp->vm_name, VMEM_NAMELEN, "%s", name);
1452         (void) mutex_init(&vmp->vm_lock, USYNC_THREAD, NULL);
1453         (void) cond_init(&vmp->vm_cv, USYNC_THREAD, NULL);
1454         vmp->vm_cflags = vmflag;
1455         vmflag &= VM_UMFLAGS;
1456
1457         vmp->vm_quantum = quantum;
1458         vmp->vm_qshift = highbit(quantum) - 1;
1459         nqcache = MIN(qcache_max >> vmp->vm_qshift, VMEM_NQCACHE_MAX);
1460
1461         for (i = 0; i <= VMEM_FREELISTS; i++) {
1462                 vfp = &vmp->vm_freelist[i];
1463                 vfp->vs_end = 1UL << i;
1464                 vfp->vs_knext = (vmem_seg_t *)(vfp + 1);
1465                 vfp->vs_kprev = (vmem_seg_t *)(vfp - 1);
1466         }
1467
1468         vmp->vm_freelist[0].vs_kprev = NULL;
1469         vmp->vm_freelist[VMEM_FREELISTS].vs_knext = NULL;
1470         vmp->vm_freelist[VMEM_FREELISTS].vs_end = 0;
1471         vmp->vm_hash_table = vmp->vm_hash0;
1472         vmp->vm_hash_mask = VMEM_HASH_INITIAL - 1;
1473         vmp->vm_hash_shift = highbit(vmp->vm_hash_mask);
1474
1475         vsp = &vmp->vm_seg0;
1476         vsp->vs_anext = vsp;
1477         vsp->vs_aprev = vsp;
1478         vsp->vs_knext = vsp;
1479         vsp->vs_kprev = vsp;
1480         vsp->vs_type = VMEM_SPAN;
1481
1482         vsp = &vmp->vm_rotor;
1483         vsp->vs_type = VMEM_ROTOR;
1484         VMEM_INSERT(&vmp->vm_seg0, vsp, a);
1485
1486         vmp->vm_id = id;
1487         if (source != NULL)
1488                 vmp->vm_kstat.vk_source_id = source->vm_id;
1489         vmp->vm_source = source;
1490         vmp->vm_source_alloc = afunc;
1491         vmp->vm_source_free = ffunc;
1492
1493         if (nqcache != 0) {
1494                 vmp->vm_qcache_max = nqcache << vmp->vm_qshift;
1495                 for (i = 0; i < nqcache; i++) {
1496                         char buf[VMEM_NAMELEN + 21];
1497                         (void) snprintf(buf, sizeof (buf), "%s_%lu",
1498                             vmp->vm_name, (long)((i + 1) * quantum));
1499                         vmp->vm_qcache[i] = umem_cache_create(buf,
1500                             (i + 1) * quantum, quantum, NULL, NULL, NULL,
1501                             NULL, vmp, UMC_QCACHE | UMC_NOTOUCH);
1502                         if (vmp->vm_qcache[i] == NULL) {
1503                                 vmp->vm_qcache_max = i * quantum;
1504                                 break;
1505                         }
1506                 }
1507         }
1508
1509         (void) mutex_lock(&vmem_list_lock);
1510         vmpp = &vmem_list;
1511         while ((cur = *vmpp) != NULL)
1512                 vmpp = &cur->vm_next;
1513         *vmpp = vmp;
1514         (void) mutex_unlock(&vmem_list_lock);
1515
1516         if (vmp->vm_cflags & VMC_POPULATOR) {
1517                 uint_t pop_id = atomic_add_32_nv(&vmem_populators, 1);
1518                 ASSERT(pop_id <= VMEM_INITIAL);
1519                 vmem_populator[pop_id - 1] = vmp;
1520                 (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1521                 (void) vmem_populate(vmp, vmflag | VM_PANIC);
1522                 (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1523         }
1524
1525         if ((base || size) && vmem_add(vmp, base, size, vmflag) == NULL) {
1526                 vmem_destroy(vmp);
1527                 return (NULL);
1528         }
1529
1530         return (vmp);
1531 }
1532
1533 /*
1534  * Destroy arena vmp.
1535  */
1536 void
1537 vmem_destroy(vmem_t *vmp)
1538 {
1539         vmem_t *cur, **vmpp;
1540         vmem_seg_t *seg0 = &vmp->vm_seg0;
1541         vmem_seg_t *vsp;
1542         size_t leaked;
1543         int i;
1544
1545         (void) mutex_lock(&vmem_list_lock);
1546         vmpp = &vmem_list;
1547         while ((cur = *vmpp) != vmp)
1548                 vmpp = &cur->vm_next;
1549         *vmpp = vmp->vm_next;
1550         (void) mutex_unlock(&vmem_list_lock);
1551
1552         for (i = 0; i < VMEM_NQCACHE_MAX; i++)
1553                 if (vmp->vm_qcache[i])
1554                         umem_cache_destroy(vmp->vm_qcache[i]);
1555
1556         leaked = vmem_size(vmp, VMEM_ALLOC);
1557         if (leaked != 0)
1558                 umem_printf("vmem_destroy('%s'): leaked %lu bytes",
1559                     vmp->vm_name, leaked);
1560
1561         if (vmp->vm_hash_table != vmp->vm_hash0)
1562                 vmem_free(vmem_hash_arena, vmp->vm_hash_table,
1563                     (vmp->vm_hash_mask + 1) * sizeof (void *));
1564
1565         /*
1566          * Give back the segment structures for anything that's left in the
1567          * arena, e.g. the primary spans and their free segments.
1568          */
1569         VMEM_DELETE(&vmp->vm_rotor, a);
1570         for (vsp = seg0->vs_anext; vsp != seg0; vsp = vsp->vs_anext)
1571                 vmem_putseg_global(vsp);
1572
1573         while (vmp->vm_nsegfree > 0)
1574                 vmem_putseg_global(vmem_getseg(vmp));
1575
1576         (void) mutex_destroy(&vmp->vm_lock);
1577         (void) cond_destroy(&vmp->vm_cv);
1578         vmem_free(vmem_vmem_arena, vmp, sizeof (vmem_t));
1579 }
1580
1581 /*
1582  * Resize vmp's hash table to keep the average lookup depth near 1.0.
1583  */
1584 static void
1585 vmem_hash_rescale(vmem_t *vmp)
1586 {
1587         vmem_seg_t **old_table, **new_table, *vsp;
1588         size_t old_size, new_size, h, nseg;
1589
1590         nseg = (size_t)(vmp->vm_kstat.vk_alloc - vmp->vm_kstat.vk_free);
1591
1592         new_size = MAX(VMEM_HASH_INITIAL, 1 << (highbit(3 * nseg + 4) - 2));
1593         old_size = vmp->vm_hash_mask + 1;
1594
1595         if ((old_size >> 1) <= new_size && new_size <= (old_size << 1))
1596                 return;
1597
1598         new_table = vmem_alloc(vmem_hash_arena, new_size * sizeof (void *),
1599             VM_NOSLEEP);
1600         if (new_table == NULL)
1601                 return;
1602         bzero(new_table, new_size * sizeof (void *));
1603
1604         (void) mutex_lock(&vmp->vm_lock);
1605
1606         old_size = vmp->vm_hash_mask + 1;
1607         old_table = vmp->vm_hash_table;
1608
1609         vmp->vm_hash_mask = new_size - 1;
1610         vmp->vm_hash_table = new_table;
1611         vmp->vm_hash_shift = highbit(vmp->vm_hash_mask);
1612
1613         for (h = 0; h < old_size; h++) {
1614                 vsp = old_table[h];
1615                 while (vsp != NULL) {
1616                         uintptr_t addr = vsp->vs_start;
1617                         vmem_seg_t *next_vsp = vsp->vs_knext;
1618                         vmem_seg_t **hash_bucket = VMEM_HASH(vmp, addr);
1619                         vsp->vs_knext = *hash_bucket;
1620                         *hash_bucket = vsp;
1621                         vsp = next_vsp;
1622                 }
1623         }
1624
1625         (void) mutex_unlock(&vmp->vm_lock);
1626
1627         if (old_table != vmp->vm_hash0)
1628                 vmem_free(vmem_hash_arena, old_table,
1629                     old_size * sizeof (void *));
1630 }
1631
1632 /*
1633  * Perform periodic maintenance on all vmem arenas.
1634  */
1635 /*ARGSUSED*/
1636 void
1637 vmem_update(void *dummy)
1638 {
1639         vmem_t *vmp;
1640
1641         (void) mutex_lock(&vmem_list_lock);
1642         for (vmp = vmem_list; vmp != NULL; vmp = vmp->vm_next) {
1643                 /*
1644                  * If threads are waiting for resources, wake them up
1645                  * periodically so they can issue another vmem_reap()
1646                  * to reclaim resources cached by the slab allocator.
1647                  */
1648                 (void) cond_broadcast(&vmp->vm_cv);
1649
1650                 /*
1651                  * Rescale the hash table to keep the hash chains short.
1652                  */
1653                 vmem_hash_rescale(vmp);
1654         }
1655         (void) mutex_unlock(&vmem_list_lock);
1656 }
1657
1658 /*
1659  * If vmem_init is called again, we need to be able to reset the world.
1660  * That includes resetting the statics back to their original values.
1661  */
1662 void
1663 vmem_startup(void)
1664 {
1665 #ifdef UMEM_STANDALONE
1666         vmem_id = 0;
1667         vmem_populators = 0;
1668         vmem_segfree = NULL;
1669         vmem_list = NULL;
1670         vmem_internal_arena = NULL;
1671         vmem_seg_arena = NULL;
1672         vmem_hash_arena = NULL;
1673         vmem_vmem_arena = NULL;
1674         vmem_heap = NULL;
1675         vmem_heap_alloc = NULL;
1676         vmem_heap_free = NULL;
1677
1678         bzero(vmem0, sizeof (vmem0));
1679         bzero(vmem_populator, sizeof (vmem_populator));
1680         bzero(vmem_seg0, sizeof (vmem_seg0));
1681 #endif
1682 }
1683
1684 /*
1685  * Prepare vmem for use.
1686  */
1687 vmem_t *
1688 vmem_init(const char *parent_name, size_t parent_quantum,
1689     vmem_alloc_t *parent_alloc, vmem_free_t *parent_free,
1690     const char *heap_name, void *heap_start, size_t heap_size,
1691     size_t heap_quantum, vmem_alloc_t *heap_alloc, vmem_free_t *heap_free)
1692 {
1693         uint32_t id;
1694         int nseg = VMEM_SEG_INITIAL;
1695         vmem_t *parent, *heap;
1696
1697         ASSERT(vmem_internal_arena == NULL);
1698
1699         while (--nseg >= 0)
1700                 vmem_putseg_global(&vmem_seg0[nseg]);
1701
1702         if (parent_name != NULL) {
1703                 parent = vmem_create(parent_name,
1704                     heap_start, heap_size, parent_quantum,
1705                     NULL, NULL, NULL, 0,
1706                     VM_SLEEP | VMC_POPULATOR);
1707                 heap_start = NULL;
1708                 heap_size = 0;
1709         } else {
1710                 ASSERT(parent_alloc == NULL && parent_free == NULL);
1711                 parent = NULL;
1712         }
1713
1714         heap = vmem_create(heap_name,
1715             heap_start, heap_size, heap_quantum,
1716             parent_alloc, parent_free, parent, 0,
1717             VM_SLEEP | VMC_POPULATOR);
1718
1719         vmem_heap = heap;
1720         vmem_heap_alloc = heap_alloc;
1721         vmem_heap_free = heap_free;
1722
1723         vmem_internal_arena = vmem_create("vmem_internal",
1724             NULL, 0, heap_quantum,
1725             heap_alloc, heap_free, heap, 0,
1726             VM_SLEEP | VMC_POPULATOR);
1727
1728         vmem_seg_arena = vmem_create("vmem_seg",
1729             NULL, 0, heap_quantum,
1730             vmem_alloc, vmem_free, vmem_internal_arena, 0,
1731             VM_SLEEP | VMC_POPULATOR);
1732
1733         vmem_hash_arena = vmem_create("vmem_hash",
1734             NULL, 0, 8,
1735             vmem_alloc, vmem_free, vmem_internal_arena, 0,
1736             VM_SLEEP);
1737
1738         vmem_vmem_arena = vmem_create("vmem_vmem",
1739             vmem0, sizeof (vmem0), 1,
1740             vmem_alloc, vmem_free, vmem_internal_arena, 0,
1741             VM_SLEEP);
1742
1743         for (id = 0; id < vmem_id; id++)
1744                 (void) vmem_xalloc(vmem_vmem_arena, sizeof (vmem_t),
1745                     1, 0, 0, &vmem0[id], &vmem0[id + 1],
1746                     VM_NOSLEEP | VM_BESTFIT | VM_PANIC);
1747
1748         return (heap);
1749 }
1750
1751 void
1752 vmem_no_debug(void)
1753 {
1754         /*
1755          * This size must be a multiple of the minimum required alignment,
1756          * since vmem_populate allocates them compactly.
1757          */
1758         vmem_seg_size = P2ROUNDUP(offsetof(vmem_seg_t, vs_thread),
1759             sizeof (hrtime_t));
1760 }
1761
1762 /*
1763  * Lockup and release, for fork1(2) handling.
1764  */
1765 void
1766 vmem_lockup(void)
1767 {
1768         vmem_t *cur;
1769
1770         (void) mutex_lock(&vmem_list_lock);
1771         (void) mutex_lock(&vmem_nosleep_lock.vmpl_mutex);
1772
1773         /*
1774          * Lock up and broadcast all arenas.
1775          */
1776         for (cur = vmem_list; cur != NULL; cur = cur->vm_next) {
1777                 (void) mutex_lock(&cur->vm_lock);
1778                 (void) cond_broadcast(&cur->vm_cv);
1779         }
1780
1781         (void) mutex_lock(&vmem_segfree_lock);
1782 }
1783
1784 void
1785 vmem_release(void)
1786 {
1787         vmem_t *cur;
1788
1789         (void) mutex_unlock(&vmem_nosleep_lock.vmpl_mutex);
1790
1791         for (cur = vmem_list; cur != NULL; cur = cur->vm_next)
1792                 (void) mutex_unlock(&cur->vm_lock);
1793
1794         (void) mutex_unlock(&vmem_segfree_lock);
1795         (void) mutex_unlock(&vmem_list_lock);
1796 }