Execution of Livemigration through Yardstick
[kvmfornfv.git] / kernel / mm / percpu.c
1 /*
2  * mm/percpu.c - percpu memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2009           SUSE Linux Products GmbH
5  * Copyright (C) 2009           Tejun Heo <tj@kernel.org>
6  *
7  * This file is released under the GPLv2.
8  *
9  * This is percpu allocator which can handle both static and dynamic
10  * areas.  Percpu areas are allocated in chunks.  Each chunk is
11  * consisted of boot-time determined number of units and the first
12  * chunk is used for static percpu variables in the kernel image
13  * (special boot time alloc/init handling necessary as these areas
14  * need to be brought up before allocation services are running).
15  * Unit grows as necessary and all units grow or shrink in unison.
16  * When a chunk is filled up, another chunk is allocated.
17  *
18  *  c0                           c1                         c2
19  *  -------------------          -------------------        ------------
20  * | u0 | u1 | u2 | u3 |        | u0 | u1 | u2 | u3 |      | u0 | u1 | u
21  *  -------------------  ......  -------------------  ....  ------------
22  *
23  * Allocation is done in offset-size areas of single unit space.  Ie,
24  * an area of 512 bytes at 6k in c1 occupies 512 bytes at 6k of c1:u0,
25  * c1:u1, c1:u2 and c1:u3.  On UMA, units corresponds directly to
26  * cpus.  On NUMA, the mapping can be non-linear and even sparse.
27  * Percpu access can be done by configuring percpu base registers
28  * according to cpu to unit mapping and pcpu_unit_size.
29  *
30  * There are usually many small percpu allocations many of them being
31  * as small as 4 bytes.  The allocator organizes chunks into lists
32  * according to free size and tries to allocate from the fullest one.
33  * Each chunk keeps the maximum contiguous area size hint which is
34  * guaranteed to be equal to or larger than the maximum contiguous
35  * area in the chunk.  This helps the allocator not to iterate the
36  * chunk maps unnecessarily.
37  *
38  * Allocation state in each chunk is kept using an array of integers
39  * on chunk->map.  A positive value in the map represents a free
40  * region and negative allocated.  Allocation inside a chunk is done
41  * by scanning this map sequentially and serving the first matching
42  * entry.  This is mostly copied from the percpu_modalloc() allocator.
43  * Chunks can be determined from the address using the index field
44  * in the page struct. The index field contains a pointer to the chunk.
45  *
46  * To use this allocator, arch code should do the followings.
47  *
48  * - define __addr_to_pcpu_ptr() and __pcpu_ptr_to_addr() to translate
49  *   regular address to percpu pointer and back if they need to be
50  *   different from the default
51  *
52  * - use pcpu_setup_first_chunk() during percpu area initialization to
53  *   setup the first chunk containing the kernel static percpu area
54  */
55
56 #include <linux/bitmap.h>
57 #include <linux/bootmem.h>
58 #include <linux/err.h>
59 #include <linux/list.h>
60 #include <linux/log2.h>
61 #include <linux/mm.h>
62 #include <linux/module.h>
63 #include <linux/mutex.h>
64 #include <linux/percpu.h>
65 #include <linux/pfn.h>
66 #include <linux/slab.h>
67 #include <linux/spinlock.h>
68 #include <linux/vmalloc.h>
69 #include <linux/workqueue.h>
70 #include <linux/kmemleak.h>
71
72 #include <asm/cacheflush.h>
73 #include <asm/sections.h>
74 #include <asm/tlbflush.h>
75 #include <asm/io.h>
76
77 #define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT            5       /* 1-31 shares the same slot */
78 #define PCPU_DFL_MAP_ALLOC              16      /* start a map with 16 ents */
79 #define PCPU_ATOMIC_MAP_MARGIN_LOW      32
80 #define PCPU_ATOMIC_MAP_MARGIN_HIGH     64
81 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW        2
82 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH       4
83
84 #ifdef CONFIG_SMP
85 /* default addr <-> pcpu_ptr mapping, override in asm/percpu.h if necessary */
86 #ifndef __addr_to_pcpu_ptr
87 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)                                        \
88         (void __percpu *)((unsigned long)(addr) -                       \
89                           (unsigned long)pcpu_base_addr +               \
90                           (unsigned long)__per_cpu_start)
91 #endif
92 #ifndef __pcpu_ptr_to_addr
93 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)                                         \
94         (void __force *)((unsigned long)(ptr) +                         \
95                          (unsigned long)pcpu_base_addr -                \
96                          (unsigned long)__per_cpu_start)
97 #endif
98 #else   /* CONFIG_SMP */
99 /* on UP, it's always identity mapped */
100 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)        (void __percpu *)(addr)
101 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)         (void __force *)(ptr)
102 #endif  /* CONFIG_SMP */
103
104 struct pcpu_chunk {
105         struct list_head        list;           /* linked to pcpu_slot lists */
106         int                     free_size;      /* free bytes in the chunk */
107         int                     contig_hint;    /* max contiguous size hint */
108         void                    *base_addr;     /* base address of this chunk */
109
110         int                     map_used;       /* # of map entries used before the sentry */
111         int                     map_alloc;      /* # of map entries allocated */
112         int                     *map;           /* allocation map */
113         struct list_head        map_extend_list;/* on pcpu_map_extend_chunks */
114
115         void                    *data;          /* chunk data */
116         int                     first_free;     /* no free below this */
117         bool                    immutable;      /* no [de]population allowed */
118         int                     nr_populated;   /* # of populated pages */
119         unsigned long           populated[];    /* populated bitmap */
120 };
121
122 static int pcpu_unit_pages __read_mostly;
123 static int pcpu_unit_size __read_mostly;
124 static int pcpu_nr_units __read_mostly;
125 static int pcpu_atom_size __read_mostly;
126 static int pcpu_nr_slots __read_mostly;
127 static size_t pcpu_chunk_struct_size __read_mostly;
128
129 /* cpus with the lowest and highest unit addresses */
130 static unsigned int pcpu_low_unit_cpu __read_mostly;
131 static unsigned int pcpu_high_unit_cpu __read_mostly;
132
133 /* the address of the first chunk which starts with the kernel static area */
134 void *pcpu_base_addr __read_mostly;
135 EXPORT_SYMBOL_GPL(pcpu_base_addr);
136
137 static const int *pcpu_unit_map __read_mostly;          /* cpu -> unit */
138 const unsigned long *pcpu_unit_offsets __read_mostly;   /* cpu -> unit offset */
139
140 /* group information, used for vm allocation */
141 static int pcpu_nr_groups __read_mostly;
142 static const unsigned long *pcpu_group_offsets __read_mostly;
143 static const size_t *pcpu_group_sizes __read_mostly;
144
145 /*
146  * The first chunk which always exists.  Note that unlike other
147  * chunks, this one can be allocated and mapped in several different
148  * ways and thus often doesn't live in the vmalloc area.
149  */
150 static struct pcpu_chunk *pcpu_first_chunk;
151
152 /*
153  * Optional reserved chunk.  This chunk reserves part of the first
154  * chunk and serves it for reserved allocations.  The amount of
155  * reserved offset is in pcpu_reserved_chunk_limit.  When reserved
156  * area doesn't exist, the following variables contain NULL and 0
157  * respectively.
158  */
159 static struct pcpu_chunk *pcpu_reserved_chunk;
160 static int pcpu_reserved_chunk_limit;
161
162 static DEFINE_SPINLOCK(pcpu_lock);      /* all internal data structures */
163 static DEFINE_MUTEX(pcpu_alloc_mutex);  /* chunk create/destroy, [de]pop, map ext */
164
165 static struct list_head *pcpu_slot __read_mostly; /* chunk list slots */
166
167 /* chunks which need their map areas extended, protected by pcpu_lock */
168 static LIST_HEAD(pcpu_map_extend_chunks);
169
170 /*
171  * The number of empty populated pages, protected by pcpu_lock.  The
172  * reserved chunk doesn't contribute to the count.
173  */
174 static int pcpu_nr_empty_pop_pages;
175
176 /*
177  * Balance work is used to populate or destroy chunks asynchronously.  We
178  * try to keep the number of populated free pages between
179  * PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW and HIGH for atomic allocations and at most one
180  * empty chunk.
181  */
182 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work);
183 static DECLARE_WORK(pcpu_balance_work, pcpu_balance_workfn);
184 static bool pcpu_async_enabled __read_mostly;
185 static bool pcpu_atomic_alloc_failed;
186
187 static void pcpu_schedule_balance_work(void)
188 {
189         if (pcpu_async_enabled)
190                 schedule_work(&pcpu_balance_work);
191 }
192
193 static bool pcpu_addr_in_first_chunk(void *addr)
194 {
195         void *first_start = pcpu_first_chunk->base_addr;
196
197         return addr >= first_start && addr < first_start + pcpu_unit_size;
198 }
199
200 static bool pcpu_addr_in_reserved_chunk(void *addr)
201 {
202         void *first_start = pcpu_first_chunk->base_addr;
203
204         return addr >= first_start &&
205                 addr < first_start + pcpu_reserved_chunk_limit;
206 }
207
208 static int __pcpu_size_to_slot(int size)
209 {
210         int highbit = fls(size);        /* size is in bytes */
211         return max(highbit - PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);
212 }
213
214 static int pcpu_size_to_slot(int size)
215 {
216         if (size == pcpu_unit_size)
217                 return pcpu_nr_slots - 1;
218         return __pcpu_size_to_slot(size);
219 }
220
221 static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk *chunk)
222 {
223         if (chunk->free_size < sizeof(int) || chunk->contig_hint < sizeof(int))
224                 return 0;
225
226         return pcpu_size_to_slot(chunk->free_size);
227 }
228
229 /* set the pointer to a chunk in a page struct */
230 static void pcpu_set_page_chunk(struct page *page, struct pcpu_chunk *pcpu)
231 {
232         page->index = (unsigned long)pcpu;
233 }
234
235 /* obtain pointer to a chunk from a page struct */
236 static struct pcpu_chunk *pcpu_get_page_chunk(struct page *page)
237 {
238         return (struct pcpu_chunk *)page->index;
239 }
240
241 static int __maybe_unused pcpu_page_idx(unsigned int cpu, int page_idx)
242 {
243         return pcpu_unit_map[cpu] * pcpu_unit_pages + page_idx;
244 }
245
246 static unsigned long pcpu_chunk_addr(struct pcpu_chunk *chunk,
247                                      unsigned int cpu, int page_idx)
248 {
249         return (unsigned long)chunk->base_addr + pcpu_unit_offsets[cpu] +
250                 (page_idx << PAGE_SHIFT);
251 }
252
253 static void __maybe_unused pcpu_next_unpop(struct pcpu_chunk *chunk,
254                                            int *rs, int *re, int end)
255 {
256         *rs = find_next_zero_bit(chunk->populated, end, *rs);
257         *re = find_next_bit(chunk->populated, end, *rs + 1);
258 }
259
260 static void __maybe_unused pcpu_next_pop(struct pcpu_chunk *chunk,
261                                          int *rs, int *re, int end)
262 {
263         *rs = find_next_bit(chunk->populated, end, *rs);
264         *re = find_next_zero_bit(chunk->populated, end, *rs + 1);
265 }
266
267 /*
268  * (Un)populated page region iterators.  Iterate over (un)populated
269  * page regions between @start and @end in @chunk.  @rs and @re should
270  * be integer variables and will be set to start and end page index of
271  * the current region.
272  */
273 #define pcpu_for_each_unpop_region(chunk, rs, re, start, end)               \
274         for ((rs) = (start), pcpu_next_unpop((chunk), &(rs), &(re), (end)); \
275              (rs) < (re);                                                   \
276              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_unpop((chunk), &(rs), &(re), (end)))
277
278 #define pcpu_for_each_pop_region(chunk, rs, re, start, end)                 \
279         for ((rs) = (start), pcpu_next_pop((chunk), &(rs), &(re), (end));   \
280              (rs) < (re);                                                   \
281              (rs) = (re) + 1, pcpu_next_pop((chunk), &(rs), &(re), (end)))
282
283 /**
284  * pcpu_mem_zalloc - allocate memory
285  * @size: bytes to allocate
286  *
287  * Allocate @size bytes.  If @size is smaller than PAGE_SIZE,
288  * kzalloc() is used; otherwise, vzalloc() is used.  The returned
289  * memory is always zeroed.
290  *
291  * CONTEXT:
292  * Does GFP_KERNEL allocation.
293  *
294  * RETURNS:
295  * Pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
296  */
297 static void *pcpu_mem_zalloc(size_t size)
298 {
299         if (WARN_ON_ONCE(!slab_is_available()))
300                 return NULL;
301
302         if (size <= PAGE_SIZE)
303                 return kzalloc(size, GFP_KERNEL);
304         else
305                 return vzalloc(size);
306 }
307
308 /**
309  * pcpu_mem_free - free memory
310  * @ptr: memory to free
311  * @size: size of the area
312  *
313  * Free @ptr.  @ptr should have been allocated using pcpu_mem_zalloc().
314  */
315 static void pcpu_mem_free(void *ptr, size_t size)
316 {
317         if (size <= PAGE_SIZE)
318                 kfree(ptr);
319         else
320                 vfree(ptr);
321 }
322
323 /**
324  * pcpu_count_occupied_pages - count the number of pages an area occupies
325  * @chunk: chunk of interest
326  * @i: index of the area in question
327  *
328  * Count the number of pages chunk's @i'th area occupies.  When the area's
329  * start and/or end address isn't aligned to page boundary, the straddled
330  * page is included in the count iff the rest of the page is free.
331  */
332 static int pcpu_count_occupied_pages(struct pcpu_chunk *chunk, int i)
333 {
334         int off = chunk->map[i] & ~1;
335         int end = chunk->map[i + 1] & ~1;
336
337         if (!PAGE_ALIGNED(off) && i > 0) {
338                 int prev = chunk->map[i - 1];
339
340                 if (!(prev & 1) && prev <= round_down(off, PAGE_SIZE))
341                         off = round_down(off, PAGE_SIZE);
342         }
343
344         if (!PAGE_ALIGNED(end) && i + 1 < chunk->map_used) {
345                 int next = chunk->map[i + 1];
346                 int nend = chunk->map[i + 2] & ~1;
347
348                 if (!(next & 1) && nend >= round_up(end, PAGE_SIZE))
349                         end = round_up(end, PAGE_SIZE);
350         }
351
352         return max_t(int, PFN_DOWN(end) - PFN_UP(off), 0);
353 }
354
355 /**
356  * pcpu_chunk_relocate - put chunk in the appropriate chunk slot
357  * @chunk: chunk of interest
358  * @oslot: the previous slot it was on
359  *
360  * This function is called after an allocation or free changed @chunk.
361  * New slot according to the changed state is determined and @chunk is
362  * moved to the slot.  Note that the reserved chunk is never put on
363  * chunk slots.
364  *
365  * CONTEXT:
366  * pcpu_lock.
367  */
368 static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk *chunk, int oslot)
369 {
370         int nslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
371
372         if (chunk != pcpu_reserved_chunk && oslot != nslot) {
373                 if (oslot < nslot)
374                         list_move(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
375                 else
376                         list_move_tail(&chunk->list, &pcpu_slot[nslot]);
377         }
378 }
379
380 /**
381  * pcpu_need_to_extend - determine whether chunk area map needs to be extended
382  * @chunk: chunk of interest
383  * @is_atomic: the allocation context
384  *
385  * Determine whether area map of @chunk needs to be extended.  If
386  * @is_atomic, only the amount necessary for a new allocation is
387  * considered; however, async extension is scheduled if the left amount is
388  * low.  If !@is_atomic, it aims for more empty space.  Combined, this
389  * ensures that the map is likely to have enough available space to
390  * accomodate atomic allocations which can't extend maps directly.
391  *
392  * CONTEXT:
393  * pcpu_lock.
394  *
395  * RETURNS:
396  * New target map allocation length if extension is necessary, 0
397  * otherwise.
398  */
399 static int pcpu_need_to_extend(struct pcpu_chunk *chunk, bool is_atomic)
400 {
401         int margin, new_alloc;
402
403         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
404
405         if (is_atomic) {
406                 margin = 3;
407
408                 if (chunk->map_alloc <
409                     chunk->map_used + PCPU_ATOMIC_MAP_MARGIN_LOW) {
410                         if (list_empty(&chunk->map_extend_list)) {
411                                 list_add_tail(&chunk->map_extend_list,
412                                               &pcpu_map_extend_chunks);
413                                 pcpu_schedule_balance_work();
414                         }
415                 }
416         } else {
417                 margin = PCPU_ATOMIC_MAP_MARGIN_HIGH;
418         }
419
420         if (chunk->map_alloc >= chunk->map_used + margin)
421                 return 0;
422
423         new_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
424         while (new_alloc < chunk->map_used + margin)
425                 new_alloc *= 2;
426
427         return new_alloc;
428 }
429
430 /**
431  * pcpu_extend_area_map - extend area map of a chunk
432  * @chunk: chunk of interest
433  * @new_alloc: new target allocation length of the area map
434  *
435  * Extend area map of @chunk to have @new_alloc entries.
436  *
437  * CONTEXT:
438  * Does GFP_KERNEL allocation.  Grabs and releases pcpu_lock.
439  *
440  * RETURNS:
441  * 0 on success, -errno on failure.
442  */
443 static int pcpu_extend_area_map(struct pcpu_chunk *chunk, int new_alloc)
444 {
445         int *old = NULL, *new = NULL;
446         size_t old_size = 0, new_size = new_alloc * sizeof(new[0]);
447         unsigned long flags;
448
449         lockdep_assert_held(&pcpu_alloc_mutex);
450
451         new = pcpu_mem_zalloc(new_size);
452         if (!new)
453                 return -ENOMEM;
454
455         /* acquire pcpu_lock and switch to new area map */
456         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
457
458         if (new_alloc <= chunk->map_alloc)
459                 goto out_unlock;
460
461         old_size = chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]);
462         old = chunk->map;
463
464         memcpy(new, old, old_size);
465
466         chunk->map_alloc = new_alloc;
467         chunk->map = new;
468         new = NULL;
469
470 out_unlock:
471         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
472
473         /*
474          * pcpu_mem_free() might end up calling vfree() which uses
475          * IRQ-unsafe lock and thus can't be called under pcpu_lock.
476          */
477         pcpu_mem_free(old, old_size);
478         pcpu_mem_free(new, new_size);
479
480         return 0;
481 }
482
483 /**
484  * pcpu_fit_in_area - try to fit the requested allocation in a candidate area
485  * @chunk: chunk the candidate area belongs to
486  * @off: the offset to the start of the candidate area
487  * @this_size: the size of the candidate area
488  * @size: the size of the target allocation
489  * @align: the alignment of the target allocation
490  * @pop_only: only allocate from already populated region
491  *
492  * We're trying to allocate @size bytes aligned at @align.  @chunk's area
493  * at @off sized @this_size is a candidate.  This function determines
494  * whether the target allocation fits in the candidate area and returns the
495  * number of bytes to pad after @off.  If the target area doesn't fit, -1
496  * is returned.
497  *
498  * If @pop_only is %true, this function only considers the already
499  * populated part of the candidate area.
500  */
501 static int pcpu_fit_in_area(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int this_size,
502                             int size, int align, bool pop_only)
503 {
504         int cand_off = off;
505
506         while (true) {
507                 int head = ALIGN(cand_off, align) - off;
508                 int page_start, page_end, rs, re;
509
510                 if (this_size < head + size)
511                         return -1;
512
513                 if (!pop_only)
514                         return head;
515
516                 /*
517                  * If the first unpopulated page is beyond the end of the
518                  * allocation, the whole allocation is populated;
519                  * otherwise, retry from the end of the unpopulated area.
520                  */
521                 page_start = PFN_DOWN(head + off);
522                 page_end = PFN_UP(head + off + size);
523
524                 rs = page_start;
525                 pcpu_next_unpop(chunk, &rs, &re, PFN_UP(off + this_size));
526                 if (rs >= page_end)
527                         return head;
528                 cand_off = re * PAGE_SIZE;
529         }
530 }
531
532 /**
533  * pcpu_alloc_area - allocate area from a pcpu_chunk
534  * @chunk: chunk of interest
535  * @size: wanted size in bytes
536  * @align: wanted align
537  * @pop_only: allocate only from the populated area
538  * @occ_pages_p: out param for the number of pages the area occupies
539  *
540  * Try to allocate @size bytes area aligned at @align from @chunk.
541  * Note that this function only allocates the offset.  It doesn't
542  * populate or map the area.
543  *
544  * @chunk->map must have at least two free slots.
545  *
546  * CONTEXT:
547  * pcpu_lock.
548  *
549  * RETURNS:
550  * Allocated offset in @chunk on success, -1 if no matching area is
551  * found.
552  */
553 static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk *chunk, int size, int align,
554                            bool pop_only, int *occ_pages_p)
555 {
556         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
557         int max_contig = 0;
558         int i, off;
559         bool seen_free = false;
560         int *p;
561
562         for (i = chunk->first_free, p = chunk->map + i; i < chunk->map_used; i++, p++) {
563                 int head, tail;
564                 int this_size;
565
566                 off = *p;
567                 if (off & 1)
568                         continue;
569
570                 this_size = (p[1] & ~1) - off;
571
572                 head = pcpu_fit_in_area(chunk, off, this_size, size, align,
573                                         pop_only);
574                 if (head < 0) {
575                         if (!seen_free) {
576                                 chunk->first_free = i;
577                                 seen_free = true;
578                         }
579                         max_contig = max(this_size, max_contig);
580                         continue;
581                 }
582
583                 /*
584                  * If head is small or the previous block is free,
585                  * merge'em.  Note that 'small' is defined as smaller
586                  * than sizeof(int), which is very small but isn't too
587                  * uncommon for percpu allocations.
588                  */
589                 if (head && (head < sizeof(int) || !(p[-1] & 1))) {
590                         *p = off += head;
591                         if (p[-1] & 1)
592                                 chunk->free_size -= head;
593                         else
594                                 max_contig = max(*p - p[-1], max_contig);
595                         this_size -= head;
596                         head = 0;
597                 }
598
599                 /* if tail is small, just keep it around */
600                 tail = this_size - head - size;
601                 if (tail < sizeof(int)) {
602                         tail = 0;
603                         size = this_size - head;
604                 }
605
606                 /* split if warranted */
607                 if (head || tail) {
608                         int nr_extra = !!head + !!tail;
609
610                         /* insert new subblocks */
611                         memmove(p + nr_extra + 1, p + 1,
612                                 sizeof(chunk->map[0]) * (chunk->map_used - i));
613                         chunk->map_used += nr_extra;
614
615                         if (head) {
616                                 if (!seen_free) {
617                                         chunk->first_free = i;
618                                         seen_free = true;
619                                 }
620                                 *++p = off += head;
621                                 ++i;
622                                 max_contig = max(head, max_contig);
623                         }
624                         if (tail) {
625                                 p[1] = off + size;
626                                 max_contig = max(tail, max_contig);
627                         }
628                 }
629
630                 if (!seen_free)
631                         chunk->first_free = i + 1;
632
633                 /* update hint and mark allocated */
634                 if (i + 1 == chunk->map_used)
635                         chunk->contig_hint = max_contig; /* fully scanned */
636                 else
637                         chunk->contig_hint = max(chunk->contig_hint,
638                                                  max_contig);
639
640                 chunk->free_size -= size;
641                 *p |= 1;
642
643                 *occ_pages_p = pcpu_count_occupied_pages(chunk, i);
644                 pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
645                 return off;
646         }
647
648         chunk->contig_hint = max_contig;        /* fully scanned */
649         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
650
651         /* tell the upper layer that this chunk has no matching area */
652         return -1;
653 }
654
655 /**
656  * pcpu_free_area - free area to a pcpu_chunk
657  * @chunk: chunk of interest
658  * @freeme: offset of area to free
659  * @occ_pages_p: out param for the number of pages the area occupies
660  *
661  * Free area starting from @freeme to @chunk.  Note that this function
662  * only modifies the allocation map.  It doesn't depopulate or unmap
663  * the area.
664  *
665  * CONTEXT:
666  * pcpu_lock.
667  */
668 static void pcpu_free_area(struct pcpu_chunk *chunk, int freeme,
669                            int *occ_pages_p)
670 {
671         int oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
672         int off = 0;
673         unsigned i, j;
674         int to_free = 0;
675         int *p;
676
677         freeme |= 1;    /* we are searching for <given offset, in use> pair */
678
679         i = 0;
680         j = chunk->map_used;
681         while (i != j) {
682                 unsigned k = (i + j) / 2;
683                 off = chunk->map[k];
684                 if (off < freeme)
685                         i = k + 1;
686                 else if (off > freeme)
687                         j = k;
688                 else
689                         i = j = k;
690         }
691         BUG_ON(off != freeme);
692
693         if (i < chunk->first_free)
694                 chunk->first_free = i;
695
696         p = chunk->map + i;
697         *p = off &= ~1;
698         chunk->free_size += (p[1] & ~1) - off;
699
700         *occ_pages_p = pcpu_count_occupied_pages(chunk, i);
701
702         /* merge with next? */
703         if (!(p[1] & 1))
704                 to_free++;
705         /* merge with previous? */
706         if (i > 0 && !(p[-1] & 1)) {
707                 to_free++;
708                 i--;
709                 p--;
710         }
711         if (to_free) {
712                 chunk->map_used -= to_free;
713                 memmove(p + 1, p + 1 + to_free,
714                         (chunk->map_used - i) * sizeof(chunk->map[0]));
715         }
716
717         chunk->contig_hint = max(chunk->map[i + 1] - chunk->map[i] - 1, chunk->contig_hint);
718         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
719 }
720
721 static struct pcpu_chunk *pcpu_alloc_chunk(void)
722 {
723         struct pcpu_chunk *chunk;
724
725         chunk = pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_struct_size);
726         if (!chunk)
727                 return NULL;
728
729         chunk->map = pcpu_mem_zalloc(PCPU_DFL_MAP_ALLOC *
730                                                 sizeof(chunk->map[0]));
731         if (!chunk->map) {
732                 pcpu_mem_free(chunk, pcpu_chunk_struct_size);
733                 return NULL;
734         }
735
736         chunk->map_alloc = PCPU_DFL_MAP_ALLOC;
737         chunk->map[0] = 0;
738         chunk->map[1] = pcpu_unit_size | 1;
739         chunk->map_used = 1;
740
741         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
742         INIT_LIST_HEAD(&chunk->map_extend_list);
743         chunk->free_size = pcpu_unit_size;
744         chunk->contig_hint = pcpu_unit_size;
745
746         return chunk;
747 }
748
749 static void pcpu_free_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
750 {
751         if (!chunk)
752                 return;
753         pcpu_mem_free(chunk->map, chunk->map_alloc * sizeof(chunk->map[0]));
754         pcpu_mem_free(chunk, pcpu_chunk_struct_size);
755 }
756
757 /**
758  * pcpu_chunk_populated - post-population bookkeeping
759  * @chunk: pcpu_chunk which got populated
760  * @page_start: the start page
761  * @page_end: the end page
762  *
763  * Pages in [@page_start,@page_end) have been populated to @chunk.  Update
764  * the bookkeeping information accordingly.  Must be called after each
765  * successful population.
766  */
767 static void pcpu_chunk_populated(struct pcpu_chunk *chunk,
768                                  int page_start, int page_end)
769 {
770         int nr = page_end - page_start;
771
772         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
773
774         bitmap_set(chunk->populated, page_start, nr);
775         chunk->nr_populated += nr;
776         pcpu_nr_empty_pop_pages += nr;
777 }
778
779 /**
780  * pcpu_chunk_depopulated - post-depopulation bookkeeping
781  * @chunk: pcpu_chunk which got depopulated
782  * @page_start: the start page
783  * @page_end: the end page
784  *
785  * Pages in [@page_start,@page_end) have been depopulated from @chunk.
786  * Update the bookkeeping information accordingly.  Must be called after
787  * each successful depopulation.
788  */
789 static void pcpu_chunk_depopulated(struct pcpu_chunk *chunk,
790                                    int page_start, int page_end)
791 {
792         int nr = page_end - page_start;
793
794         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
795
796         bitmap_clear(chunk->populated, page_start, nr);
797         chunk->nr_populated -= nr;
798         pcpu_nr_empty_pop_pages -= nr;
799 }
800
801 /*
802  * Chunk management implementation.
803  *
804  * To allow different implementations, chunk alloc/free and
805  * [de]population are implemented in a separate file which is pulled
806  * into this file and compiled together.  The following functions
807  * should be implemented.
808  *
809  * pcpu_populate_chunk          - populate the specified range of a chunk
810  * pcpu_depopulate_chunk        - depopulate the specified range of a chunk
811  * pcpu_create_chunk            - create a new chunk
812  * pcpu_destroy_chunk           - destroy a chunk, always preceded by full depop
813  * pcpu_addr_to_page            - translate address to physical address
814  * pcpu_verify_alloc_info       - check alloc_info is acceptable during init
815  */
816 static int pcpu_populate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size);
817 static void pcpu_depopulate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, int off, int size);
818 static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(void);
819 static void pcpu_destroy_chunk(struct pcpu_chunk *chunk);
820 static struct page *pcpu_addr_to_page(void *addr);
821 static int __init pcpu_verify_alloc_info(const struct pcpu_alloc_info *ai);
822
823 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_KM
824 #include "percpu-km.c"
825 #else
826 #include "percpu-vm.c"
827 #endif
828
829 /**
830  * pcpu_chunk_addr_search - determine chunk containing specified address
831  * @addr: address for which the chunk needs to be determined.
832  *
833  * RETURNS:
834  * The address of the found chunk.
835  */
836 static struct pcpu_chunk *pcpu_chunk_addr_search(void *addr)
837 {
838         /* is it in the first chunk? */
839         if (pcpu_addr_in_first_chunk(addr)) {
840                 /* is it in the reserved area? */
841                 if (pcpu_addr_in_reserved_chunk(addr))
842                         return pcpu_reserved_chunk;
843                 return pcpu_first_chunk;
844         }
845
846         /*
847          * The address is relative to unit0 which might be unused and
848          * thus unmapped.  Offset the address to the unit space of the
849          * current processor before looking it up in the vmalloc
850          * space.  Note that any possible cpu id can be used here, so
851          * there's no need to worry about preemption or cpu hotplug.
852          */
853         addr += pcpu_unit_offsets[raw_smp_processor_id()];
854         return pcpu_get_page_chunk(pcpu_addr_to_page(addr));
855 }
856
857 /**
858  * pcpu_alloc - the percpu allocator
859  * @size: size of area to allocate in bytes
860  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
861  * @reserved: allocate from the reserved chunk if available
862  * @gfp: allocation flags
863  *
864  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.  If @gfp doesn't
865  * contain %GFP_KERNEL, the allocation is atomic.
866  *
867  * RETURNS:
868  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
869  */
870 static void __percpu *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved,
871                                  gfp_t gfp)
872 {
873         static int warn_limit = 10;
874         struct pcpu_chunk *chunk;
875         const char *err;
876         bool is_atomic = (gfp & GFP_KERNEL) != GFP_KERNEL;
877         int occ_pages = 0;
878         int slot, off, new_alloc, cpu, ret;
879         unsigned long flags;
880         void __percpu *ptr;
881
882         /*
883          * We want the lowest bit of offset available for in-use/free
884          * indicator, so force >= 16bit alignment and make size even.
885          */
886         if (unlikely(align < 2))
887                 align = 2;
888
889         size = ALIGN(size, 2);
890
891         if (unlikely(!size || size > PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align > PAGE_SIZE)) {
892                 WARN(true, "illegal size (%zu) or align (%zu) for "
893                      "percpu allocation\n", size, align);
894                 return NULL;
895         }
896
897         if (!is_atomic)
898                 mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
899
900         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
901
902         /* serve reserved allocations from the reserved chunk if available */
903         if (reserved && pcpu_reserved_chunk) {
904                 chunk = pcpu_reserved_chunk;
905
906                 if (size > chunk->contig_hint) {
907                         err = "alloc from reserved chunk failed";
908                         goto fail_unlock;
909                 }
910
911                 while ((new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk, is_atomic))) {
912                         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
913                         if (is_atomic ||
914                             pcpu_extend_area_map(chunk, new_alloc) < 0) {
915                                 err = "failed to extend area map of reserved chunk";
916                                 goto fail;
917                         }
918                         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
919                 }
920
921                 off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align, is_atomic,
922                                       &occ_pages);
923                 if (off >= 0)
924                         goto area_found;
925
926                 err = "alloc from reserved chunk failed";
927                 goto fail_unlock;
928         }
929
930 restart:
931         /* search through normal chunks */
932         for (slot = pcpu_size_to_slot(size); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
933                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_slot[slot], list) {
934                         if (size > chunk->contig_hint)
935                                 continue;
936
937                         new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk, is_atomic);
938                         if (new_alloc) {
939                                 if (is_atomic)
940                                         continue;
941                                 spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
942                                 if (pcpu_extend_area_map(chunk,
943                                                          new_alloc) < 0) {
944                                         err = "failed to extend area map";
945                                         goto fail;
946                                 }
947                                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
948                                 /*
949                                  * pcpu_lock has been dropped, need to
950                                  * restart cpu_slot list walking.
951                                  */
952                                 goto restart;
953                         }
954
955                         off = pcpu_alloc_area(chunk, size, align, is_atomic,
956                                               &occ_pages);
957                         if (off >= 0)
958                                 goto area_found;
959                 }
960         }
961
962         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
963
964         /*
965          * No space left.  Create a new chunk.  We don't want multiple
966          * tasks to create chunks simultaneously.  Serialize and create iff
967          * there's still no empty chunk after grabbing the mutex.
968          */
969         if (is_atomic)
970                 goto fail;
971
972         if (list_empty(&pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1])) {
973                 chunk = pcpu_create_chunk();
974                 if (!chunk) {
975                         err = "failed to allocate new chunk";
976                         goto fail;
977                 }
978
979                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
980                 pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
981         } else {
982                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
983         }
984
985         goto restart;
986
987 area_found:
988         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
989
990         /* populate if not all pages are already there */
991         if (!is_atomic) {
992                 int page_start, page_end, rs, re;
993
994                 page_start = PFN_DOWN(off);
995                 page_end = PFN_UP(off + size);
996
997                 pcpu_for_each_unpop_region(chunk, rs, re, page_start, page_end) {
998                         WARN_ON(chunk->immutable);
999
1000                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, re);
1001
1002                         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1003                         if (ret) {
1004                                 pcpu_free_area(chunk, off, &occ_pages);
1005                                 err = "failed to populate";
1006                                 goto fail_unlock;
1007                         }
1008                         pcpu_chunk_populated(chunk, rs, re);
1009                         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1010                 }
1011
1012                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1013         }
1014
1015         if (chunk != pcpu_reserved_chunk)
1016                 pcpu_nr_empty_pop_pages -= occ_pages;
1017
1018         if (pcpu_nr_empty_pop_pages < PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW)
1019                 pcpu_schedule_balance_work();
1020
1021         /* clear the areas and return address relative to base address */
1022         for_each_possible_cpu(cpu)
1023                 memset((void *)pcpu_chunk_addr(chunk, cpu, 0) + off, 0, size);
1024
1025         ptr = __addr_to_pcpu_ptr(chunk->base_addr + off);
1026         kmemleak_alloc_percpu(ptr, size, gfp);
1027         return ptr;
1028
1029 fail_unlock:
1030         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1031 fail:
1032         if (!is_atomic && warn_limit) {
1033                 pr_warning("PERCPU: allocation failed, size=%zu align=%zu atomic=%d, %s\n",
1034                            size, align, is_atomic, err);
1035                 dump_stack();
1036                 if (!--warn_limit)
1037                         pr_info("PERCPU: limit reached, disable warning\n");
1038         }
1039         if (is_atomic) {
1040                 /* see the flag handling in pcpu_blance_workfn() */
1041                 pcpu_atomic_alloc_failed = true;
1042                 pcpu_schedule_balance_work();
1043         } else {
1044                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1045         }
1046         return NULL;
1047 }
1048
1049 /**
1050  * __alloc_percpu_gfp - allocate dynamic percpu area
1051  * @size: size of area to allocate in bytes
1052  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1053  * @gfp: allocation flags
1054  *
1055  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align.  If
1056  * @gfp doesn't contain %GFP_KERNEL, the allocation doesn't block and can
1057  * be called from any context but is a lot more likely to fail.
1058  *
1059  * RETURNS:
1060  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1061  */
1062 void __percpu *__alloc_percpu_gfp(size_t size, size_t align, gfp_t gfp)
1063 {
1064         return pcpu_alloc(size, align, false, gfp);
1065 }
1066 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu_gfp);
1067
1068 /**
1069  * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
1070  * @size: size of area to allocate in bytes
1071  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1072  *
1073  * Equivalent to __alloc_percpu_gfp(size, align, %GFP_KERNEL).
1074  */
1075 void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
1076 {
1077         return pcpu_alloc(size, align, false, GFP_KERNEL);
1078 }
1079 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);
1080
1081 /**
1082  * __alloc_reserved_percpu - allocate reserved percpu area
1083  * @size: size of area to allocate in bytes
1084  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1085  *
1086  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align
1087  * from reserved percpu area if arch has set it up; otherwise,
1088  * allocation is served from the same dynamic area.  Might sleep.
1089  * Might trigger writeouts.
1090  *
1091  * CONTEXT:
1092  * Does GFP_KERNEL allocation.
1093  *
1094  * RETURNS:
1095  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1096  */
1097 void __percpu *__alloc_reserved_percpu(size_t size, size_t align)
1098 {
1099         return pcpu_alloc(size, align, true, GFP_KERNEL);
1100 }
1101
1102 /**
1103  * pcpu_balance_workfn - manage the amount of free chunks and populated pages
1104  * @work: unused
1105  *
1106  * Reclaim all fully free chunks except for the first one.
1107  */
1108 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work)
1109 {
1110         LIST_HEAD(to_free);
1111         struct list_head *free_head = &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1];
1112         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
1113         int slot, nr_to_pop, ret;
1114
1115         /*
1116          * There's no reason to keep around multiple unused chunks and VM
1117          * areas can be scarce.  Destroy all free chunks except for one.
1118          */
1119         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
1120         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1121
1122         list_for_each_entry_safe(chunk, next, free_head, list) {
1123                 WARN_ON(chunk->immutable);
1124
1125                 /* spare the first one */
1126                 if (chunk == list_first_entry(free_head, struct pcpu_chunk, list))
1127                         continue;
1128
1129                 list_del_init(&chunk->map_extend_list);
1130                 list_move(&chunk->list, &to_free);
1131         }
1132
1133         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1134
1135         list_for_each_entry_safe(chunk, next, &to_free, list) {
1136                 int rs, re;
1137
1138                 pcpu_for_each_pop_region(chunk, rs, re, 0, pcpu_unit_pages) {
1139                         pcpu_depopulate_chunk(chunk, rs, re);
1140                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1141                         pcpu_chunk_depopulated(chunk, rs, re);
1142                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1143                 }
1144                 pcpu_destroy_chunk(chunk);
1145         }
1146
1147         /* service chunks which requested async area map extension */
1148         do {
1149                 int new_alloc = 0;
1150
1151                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1152
1153                 chunk = list_first_entry_or_null(&pcpu_map_extend_chunks,
1154                                         struct pcpu_chunk, map_extend_list);
1155                 if (chunk) {
1156                         list_del_init(&chunk->map_extend_list);
1157                         new_alloc = pcpu_need_to_extend(chunk, false);
1158                 }
1159
1160                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1161
1162                 if (new_alloc)
1163                         pcpu_extend_area_map(chunk, new_alloc);
1164         } while (chunk);
1165
1166         /*
1167          * Ensure there are certain number of free populated pages for
1168          * atomic allocs.  Fill up from the most packed so that atomic
1169          * allocs don't increase fragmentation.  If atomic allocation
1170          * failed previously, always populate the maximum amount.  This
1171          * should prevent atomic allocs larger than PAGE_SIZE from keeping
1172          * failing indefinitely; however, large atomic allocs are not
1173          * something we support properly and can be highly unreliable and
1174          * inefficient.
1175          */
1176 retry_pop:
1177         if (pcpu_atomic_alloc_failed) {
1178                 nr_to_pop = PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH;
1179                 /* best effort anyway, don't worry about synchronization */
1180                 pcpu_atomic_alloc_failed = false;
1181         } else {
1182                 nr_to_pop = clamp(PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH -
1183                                   pcpu_nr_empty_pop_pages,
1184                                   0, PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH);
1185         }
1186
1187         for (slot = pcpu_size_to_slot(PAGE_SIZE); slot < pcpu_nr_slots; slot++) {
1188                 int nr_unpop = 0, rs, re;
1189
1190                 if (!nr_to_pop)
1191                         break;
1192
1193                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1194                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_slot[slot], list) {
1195                         nr_unpop = pcpu_unit_pages - chunk->nr_populated;
1196                         if (nr_unpop)
1197                                 break;
1198                 }
1199                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1200
1201                 if (!nr_unpop)
1202                         continue;
1203
1204                 /* @chunk can't go away while pcpu_alloc_mutex is held */
1205                 pcpu_for_each_unpop_region(chunk, rs, re, 0, pcpu_unit_pages) {
1206                         int nr = min(re - rs, nr_to_pop);
1207
1208                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, rs + nr);
1209                         if (!ret) {
1210                                 nr_to_pop -= nr;
1211                                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1212                                 pcpu_chunk_populated(chunk, rs, rs + nr);
1213                                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1214                         } else {
1215                                 nr_to_pop = 0;
1216                         }
1217
1218                         if (!nr_to_pop)
1219                                 break;
1220                 }
1221         }
1222
1223         if (nr_to_pop) {
1224                 /* ran out of chunks to populate, create a new one and retry */
1225                 chunk = pcpu_create_chunk();
1226                 if (chunk) {
1227                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
1228                         pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
1229                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
1230                         goto retry_pop;
1231                 }
1232         }
1233
1234         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1235 }
1236
1237 /**
1238  * free_percpu - free percpu area
1239  * @ptr: pointer to area to free
1240  *
1241  * Free percpu area @ptr.
1242  *
1243  * CONTEXT:
1244  * Can be called from atomic context.
1245  */
1246 void free_percpu(void __percpu *ptr)
1247 {
1248         void *addr;
1249         struct pcpu_chunk *chunk;
1250         unsigned long flags;
1251         int off, occ_pages;
1252
1253         if (!ptr)
1254                 return;
1255
1256         kmemleak_free_percpu(ptr);
1257
1258         addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);
1259
1260         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1261
1262         chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
1263         off = addr - chunk->base_addr;
1264
1265         pcpu_free_area(chunk, off, &occ_pages);
1266
1267         if (chunk != pcpu_reserved_chunk)
1268                 pcpu_nr_empty_pop_pages += occ_pages;
1269
1270         /* if there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper */
1271         if (chunk->free_size == pcpu_unit_size) {
1272                 struct pcpu_chunk *pos;
1273
1274                 list_for_each_entry(pos, &pcpu_slot[pcpu_nr_slots - 1], list)
1275                         if (pos != chunk) {
1276                                 pcpu_schedule_balance_work();
1277                                 break;
1278                         }
1279         }
1280
1281         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1282 }
1283 EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);
1284
1285 /**
1286  * is_kernel_percpu_address - test whether address is from static percpu area
1287  * @addr: address to test
1288  *
1289  * Test whether @addr belongs to in-kernel static percpu area.  Module
1290  * static percpu areas are not considered.  For those, use
1291  * is_module_percpu_address().
1292  *
1293  * RETURNS:
1294  * %true if @addr is from in-kernel static percpu area, %false otherwise.
1295  */
1296 bool is_kernel_percpu_address(unsigned long addr)
1297 {
1298 #ifdef CONFIG_SMP
1299         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
1300         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
1301         unsigned int cpu;
1302
1303         for_each_possible_cpu(cpu) {
1304                 void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
1305
1306                 if ((void *)addr >= start && (void *)addr < start + static_size)
1307                         return true;
1308         }
1309 #endif
1310         /* on UP, can't distinguish from other static vars, always false */
1311         return false;
1312 }
1313
1314 /**
1315  * per_cpu_ptr_to_phys - convert translated percpu address to physical address
1316  * @addr: the address to be converted to physical address
1317  *
1318  * Given @addr which is dereferenceable address obtained via one of
1319  * percpu access macros, this function translates it into its physical
1320  * address.  The caller is responsible for ensuring @addr stays valid
1321  * until this function finishes.
1322  *
1323  * percpu allocator has special setup for the first chunk, which currently
1324  * supports either embedding in linear address space or vmalloc mapping,
1325  * and, from the second one, the backing allocator (currently either vm or
1326  * km) provides translation.
1327  *
1328  * The addr can be translated simply without checking if it falls into the
1329  * first chunk. But the current code reflects better how percpu allocator
1330  * actually works, and the verification can discover both bugs in percpu
1331  * allocator itself and per_cpu_ptr_to_phys() callers. So we keep current
1332  * code.
1333  *
1334  * RETURNS:
1335  * The physical address for @addr.
1336  */
1337 phys_addr_t per_cpu_ptr_to_phys(void *addr)
1338 {
1339         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
1340         bool in_first_chunk = false;
1341         unsigned long first_low, first_high;
1342         unsigned int cpu;
1343
1344         /*
1345          * The following test on unit_low/high isn't strictly
1346          * necessary but will speed up lookups of addresses which
1347          * aren't in the first chunk.
1348          */
1349         first_low = pcpu_chunk_addr(pcpu_first_chunk, pcpu_low_unit_cpu, 0);
1350         first_high = pcpu_chunk_addr(pcpu_first_chunk, pcpu_high_unit_cpu,
1351                                      pcpu_unit_pages);
1352         if ((unsigned long)addr >= first_low &&
1353             (unsigned long)addr < first_high) {
1354                 for_each_possible_cpu(cpu) {
1355                         void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
1356
1357                         if (addr >= start && addr < start + pcpu_unit_size) {
1358                                 in_first_chunk = true;
1359                                 break;
1360                         }
1361                 }
1362         }
1363
1364         if (in_first_chunk) {
1365                 if (!is_vmalloc_addr(addr))
1366                         return __pa(addr);
1367                 else
1368                         return page_to_phys(vmalloc_to_page(addr)) +
1369                                offset_in_page(addr);
1370         } else
1371                 return page_to_phys(pcpu_addr_to_page(addr)) +
1372                        offset_in_page(addr);
1373 }
1374
1375 /**
1376  * pcpu_alloc_alloc_info - allocate percpu allocation info
1377  * @nr_groups: the number of groups
1378  * @nr_units: the number of units
1379  *
1380  * Allocate ai which is large enough for @nr_groups groups containing
1381  * @nr_units units.  The returned ai's groups[0].cpu_map points to the
1382  * cpu_map array which is long enough for @nr_units and filled with
1383  * NR_CPUS.  It's the caller's responsibility to initialize cpu_map
1384  * pointer of other groups.
1385  *
1386  * RETURNS:
1387  * Pointer to the allocated pcpu_alloc_info on success, NULL on
1388  * failure.
1389  */
1390 struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_alloc_alloc_info(int nr_groups,
1391                                                       int nr_units)
1392 {
1393         struct pcpu_alloc_info *ai;
1394         size_t base_size, ai_size;
1395         void *ptr;
1396         int unit;
1397
1398         base_size = ALIGN(sizeof(*ai) + nr_groups * sizeof(ai->groups[0]),
1399                           __alignof__(ai->groups[0].cpu_map[0]));
1400         ai_size = base_size + nr_units * sizeof(ai->groups[0].cpu_map[0]);
1401
1402         ptr = memblock_virt_alloc_nopanic(PFN_ALIGN(ai_size), 0);
1403         if (!ptr)
1404                 return NULL;
1405         ai = ptr;
1406         ptr += base_size;
1407
1408         ai->groups[0].cpu_map = ptr;
1409
1410         for (unit = 0; unit < nr_units; unit++)
1411                 ai->groups[0].cpu_map[unit] = NR_CPUS;
1412
1413         ai->nr_groups = nr_groups;
1414         ai->__ai_size = PFN_ALIGN(ai_size);
1415
1416         return ai;
1417 }
1418
1419 /**
1420  * pcpu_free_alloc_info - free percpu allocation info
1421  * @ai: pcpu_alloc_info to free
1422  *
1423  * Free @ai which was allocated by pcpu_alloc_alloc_info().
1424  */
1425 void __init pcpu_free_alloc_info(struct pcpu_alloc_info *ai)
1426 {
1427         memblock_free_early(__pa(ai), ai->__ai_size);
1428 }
1429
1430 /**
1431  * pcpu_dump_alloc_info - print out information about pcpu_alloc_info
1432  * @lvl: loglevel
1433  * @ai: allocation info to dump
1434  *
1435  * Print out information about @ai using loglevel @lvl.
1436  */
1437 static void pcpu_dump_alloc_info(const char *lvl,
1438                                  const struct pcpu_alloc_info *ai)
1439 {
1440         int group_width = 1, cpu_width = 1, width;
1441         char empty_str[] = "--------";
1442         int alloc = 0, alloc_end = 0;
1443         int group, v;
1444         int upa, apl;   /* units per alloc, allocs per line */
1445
1446         v = ai->nr_groups;
1447         while (v /= 10)
1448                 group_width++;
1449
1450         v = num_possible_cpus();
1451         while (v /= 10)
1452                 cpu_width++;
1453         empty_str[min_t(int, cpu_width, sizeof(empty_str) - 1)] = '\0';
1454
1455         upa = ai->alloc_size / ai->unit_size;
1456         width = upa * (cpu_width + 1) + group_width + 3;
1457         apl = rounddown_pow_of_two(max(60 / width, 1));
1458
1459         printk("%spcpu-alloc: s%zu r%zu d%zu u%zu alloc=%zu*%zu",
1460                lvl, ai->static_size, ai->reserved_size, ai->dyn_size,
1461                ai->unit_size, ai->alloc_size / ai->atom_size, ai->atom_size);
1462
1463         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
1464                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1465                 int unit = 0, unit_end = 0;
1466
1467                 BUG_ON(gi->nr_units % upa);
1468                 for (alloc_end += gi->nr_units / upa;
1469                      alloc < alloc_end; alloc++) {
1470                         if (!(alloc % apl)) {
1471                                 printk(KERN_CONT "\n");
1472                                 printk("%spcpu-alloc: ", lvl);
1473                         }
1474                         printk(KERN_CONT "[%0*d] ", group_width, group);
1475
1476                         for (unit_end += upa; unit < unit_end; unit++)
1477                                 if (gi->cpu_map[unit] != NR_CPUS)
1478                                         printk(KERN_CONT "%0*d ", cpu_width,
1479                                                gi->cpu_map[unit]);
1480                                 else
1481                                         printk(KERN_CONT "%s ", empty_str);
1482                 }
1483         }
1484         printk(KERN_CONT "\n");
1485 }
1486
1487 /**
1488  * pcpu_setup_first_chunk - initialize the first percpu chunk
1489  * @ai: pcpu_alloc_info describing how to percpu area is shaped
1490  * @base_addr: mapped address
1491  *
1492  * Initialize the first percpu chunk which contains the kernel static
1493  * perpcu area.  This function is to be called from arch percpu area
1494  * setup path.
1495  *
1496  * @ai contains all information necessary to initialize the first
1497  * chunk and prime the dynamic percpu allocator.
1498  *
1499  * @ai->static_size is the size of static percpu area.
1500  *
1501  * @ai->reserved_size, if non-zero, specifies the amount of bytes to
1502  * reserve after the static area in the first chunk.  This reserves
1503  * the first chunk such that it's available only through reserved
1504  * percpu allocation.  This is primarily used to serve module percpu
1505  * static areas on architectures where the addressing model has
1506  * limited offset range for symbol relocations to guarantee module
1507  * percpu symbols fall inside the relocatable range.
1508  *
1509  * @ai->dyn_size determines the number of bytes available for dynamic
1510  * allocation in the first chunk.  The area between @ai->static_size +
1511  * @ai->reserved_size + @ai->dyn_size and @ai->unit_size is unused.
1512  *
1513  * @ai->unit_size specifies unit size and must be aligned to PAGE_SIZE
1514  * and equal to or larger than @ai->static_size + @ai->reserved_size +
1515  * @ai->dyn_size.
1516  *
1517  * @ai->atom_size is the allocation atom size and used as alignment
1518  * for vm areas.
1519  *
1520  * @ai->alloc_size is the allocation size and always multiple of
1521  * @ai->atom_size.  This is larger than @ai->atom_size if
1522  * @ai->unit_size is larger than @ai->atom_size.
1523  *
1524  * @ai->nr_groups and @ai->groups describe virtual memory layout of
1525  * percpu areas.  Units which should be colocated are put into the
1526  * same group.  Dynamic VM areas will be allocated according to these
1527  * groupings.  If @ai->nr_groups is zero, a single group containing
1528  * all units is assumed.
1529  *
1530  * The caller should have mapped the first chunk at @base_addr and
1531  * copied static data to each unit.
1532  *
1533  * If the first chunk ends up with both reserved and dynamic areas, it
1534  * is served by two chunks - one to serve the core static and reserved
1535  * areas and the other for the dynamic area.  They share the same vm
1536  * and page map but uses different area allocation map to stay away
1537  * from each other.  The latter chunk is circulated in the chunk slots
1538  * and available for dynamic allocation like any other chunks.
1539  *
1540  * RETURNS:
1541  * 0 on success, -errno on failure.
1542  */
1543 int __init pcpu_setup_first_chunk(const struct pcpu_alloc_info *ai,
1544                                   void *base_addr)
1545 {
1546         static int smap[PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS] __initdata;
1547         static int dmap[PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS] __initdata;
1548         size_t dyn_size = ai->dyn_size;
1549         size_t size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + dyn_size;
1550         struct pcpu_chunk *schunk, *dchunk = NULL;
1551         unsigned long *group_offsets;
1552         size_t *group_sizes;
1553         unsigned long *unit_off;
1554         unsigned int cpu;
1555         int *unit_map;
1556         int group, unit, i;
1557
1558 #define PCPU_SETUP_BUG_ON(cond) do {                                    \
1559         if (unlikely(cond)) {                                           \
1560                 pr_emerg("PERCPU: failed to initialize, %s", #cond);    \
1561                 pr_emerg("PERCPU: cpu_possible_mask=%*pb\n",            \
1562                          cpumask_pr_args(cpu_possible_mask));           \
1563                 pcpu_dump_alloc_info(KERN_EMERG, ai);                   \
1564                 BUG();                                                  \
1565         }                                                               \
1566 } while (0)
1567
1568         /* sanity checks */
1569         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->nr_groups <= 0);
1570 #ifdef CONFIG_SMP
1571         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->static_size);
1572         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(__per_cpu_start));
1573 #endif
1574         PCPU_SETUP_BUG_ON(!base_addr);
1575         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(base_addr));
1576         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < size_sum);
1577         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(ai->unit_size));
1578         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1579         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->dyn_size < PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE);
1580         PCPU_SETUP_BUG_ON(pcpu_verify_alloc_info(ai) < 0);
1581
1582         /* process group information and build config tables accordingly */
1583         group_offsets = memblock_virt_alloc(ai->nr_groups *
1584                                              sizeof(group_offsets[0]), 0);
1585         group_sizes = memblock_virt_alloc(ai->nr_groups *
1586                                            sizeof(group_sizes[0]), 0);
1587         unit_map = memblock_virt_alloc(nr_cpu_ids * sizeof(unit_map[0]), 0);
1588         unit_off = memblock_virt_alloc(nr_cpu_ids * sizeof(unit_off[0]), 0);
1589
1590         for (cpu = 0; cpu < nr_cpu_ids; cpu++)
1591                 unit_map[cpu] = UINT_MAX;
1592
1593         pcpu_low_unit_cpu = NR_CPUS;
1594         pcpu_high_unit_cpu = NR_CPUS;
1595
1596         for (group = 0, unit = 0; group < ai->nr_groups; group++, unit += i) {
1597                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1598
1599                 group_offsets[group] = gi->base_offset;
1600                 group_sizes[group] = gi->nr_units * ai->unit_size;
1601
1602                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++) {
1603                         cpu = gi->cpu_map[i];
1604                         if (cpu == NR_CPUS)
1605                                 continue;
1606
1607                         PCPU_SETUP_BUG_ON(cpu >= nr_cpu_ids);
1608                         PCPU_SETUP_BUG_ON(!cpu_possible(cpu));
1609                         PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] != UINT_MAX);
1610
1611                         unit_map[cpu] = unit + i;
1612                         unit_off[cpu] = gi->base_offset + i * ai->unit_size;
1613
1614                         /* determine low/high unit_cpu */
1615                         if (pcpu_low_unit_cpu == NR_CPUS ||
1616                             unit_off[cpu] < unit_off[pcpu_low_unit_cpu])
1617                                 pcpu_low_unit_cpu = cpu;
1618                         if (pcpu_high_unit_cpu == NR_CPUS ||
1619                             unit_off[cpu] > unit_off[pcpu_high_unit_cpu])
1620                                 pcpu_high_unit_cpu = cpu;
1621                 }
1622         }
1623         pcpu_nr_units = unit;
1624
1625         for_each_possible_cpu(cpu)
1626                 PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] == UINT_MAX);
1627
1628         /* we're done parsing the input, undefine BUG macro and dump config */
1629 #undef PCPU_SETUP_BUG_ON
1630         pcpu_dump_alloc_info(KERN_DEBUG, ai);
1631
1632         pcpu_nr_groups = ai->nr_groups;
1633         pcpu_group_offsets = group_offsets;
1634         pcpu_group_sizes = group_sizes;
1635         pcpu_unit_map = unit_map;
1636         pcpu_unit_offsets = unit_off;
1637
1638         /* determine basic parameters */
1639         pcpu_unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
1640         pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages << PAGE_SHIFT;
1641         pcpu_atom_size = ai->atom_size;
1642         pcpu_chunk_struct_size = sizeof(struct pcpu_chunk) +
1643                 BITS_TO_LONGS(pcpu_unit_pages) * sizeof(unsigned long);
1644
1645         /*
1646          * Allocate chunk slots.  The additional last slot is for
1647          * empty chunks.
1648          */
1649         pcpu_nr_slots = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size) + 2;
1650         pcpu_slot = memblock_virt_alloc(
1651                         pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_slot[0]), 0);
1652         for (i = 0; i < pcpu_nr_slots; i++)
1653                 INIT_LIST_HEAD(&pcpu_slot[i]);
1654
1655         /*
1656          * Initialize static chunk.  If reserved_size is zero, the
1657          * static chunk covers static area + dynamic allocation area
1658          * in the first chunk.  If reserved_size is not zero, it
1659          * covers static area + reserved area (mostly used for module
1660          * static percpu allocation).
1661          */
1662         schunk = memblock_virt_alloc(pcpu_chunk_struct_size, 0);
1663         INIT_LIST_HEAD(&schunk->list);
1664         INIT_LIST_HEAD(&schunk->map_extend_list);
1665         schunk->base_addr = base_addr;
1666         schunk->map = smap;
1667         schunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(smap);
1668         schunk->immutable = true;
1669         bitmap_fill(schunk->populated, pcpu_unit_pages);
1670         schunk->nr_populated = pcpu_unit_pages;
1671
1672         if (ai->reserved_size) {
1673                 schunk->free_size = ai->reserved_size;
1674                 pcpu_reserved_chunk = schunk;
1675                 pcpu_reserved_chunk_limit = ai->static_size + ai->reserved_size;
1676         } else {
1677                 schunk->free_size = dyn_size;
1678                 dyn_size = 0;                   /* dynamic area covered */
1679         }
1680         schunk->contig_hint = schunk->free_size;
1681
1682         schunk->map[0] = 1;
1683         schunk->map[1] = ai->static_size;
1684         schunk->map_used = 1;
1685         if (schunk->free_size)
1686                 schunk->map[++schunk->map_used] = ai->static_size + schunk->free_size;
1687         schunk->map[schunk->map_used] |= 1;
1688
1689         /* init dynamic chunk if necessary */
1690         if (dyn_size) {
1691                 dchunk = memblock_virt_alloc(pcpu_chunk_struct_size, 0);
1692                 INIT_LIST_HEAD(&dchunk->list);
1693                 INIT_LIST_HEAD(&dchunk->map_extend_list);
1694                 dchunk->base_addr = base_addr;
1695                 dchunk->map = dmap;
1696                 dchunk->map_alloc = ARRAY_SIZE(dmap);
1697                 dchunk->immutable = true;
1698                 bitmap_fill(dchunk->populated, pcpu_unit_pages);
1699                 dchunk->nr_populated = pcpu_unit_pages;
1700
1701                 dchunk->contig_hint = dchunk->free_size = dyn_size;
1702                 dchunk->map[0] = 1;
1703                 dchunk->map[1] = pcpu_reserved_chunk_limit;
1704                 dchunk->map[2] = (pcpu_reserved_chunk_limit + dchunk->free_size) | 1;
1705                 dchunk->map_used = 2;
1706         }
1707
1708         /* link the first chunk in */
1709         pcpu_first_chunk = dchunk ?: schunk;
1710         pcpu_nr_empty_pop_pages +=
1711                 pcpu_count_occupied_pages(pcpu_first_chunk, 1);
1712         pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk, -1);
1713
1714         /* we're done */
1715         pcpu_base_addr = base_addr;
1716         return 0;
1717 }
1718
1719 #ifdef CONFIG_SMP
1720
1721 const char * const pcpu_fc_names[PCPU_FC_NR] __initconst = {
1722         [PCPU_FC_AUTO]  = "auto",
1723         [PCPU_FC_EMBED] = "embed",
1724         [PCPU_FC_PAGE]  = "page",
1725 };
1726
1727 enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;
1728
1729 static int __init percpu_alloc_setup(char *str)
1730 {
1731         if (!str)
1732                 return -EINVAL;
1733
1734         if (0)
1735                 /* nada */;
1736 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK
1737         else if (!strcmp(str, "embed"))
1738                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_EMBED;
1739 #endif
1740 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
1741         else if (!strcmp(str, "page"))
1742                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_PAGE;
1743 #endif
1744         else
1745                 pr_warning("PERCPU: unknown allocator %s specified\n", str);
1746
1747         return 0;
1748 }
1749 early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);
1750
1751 /*
1752  * pcpu_embed_first_chunk() is used by the generic percpu setup.
1753  * Build it if needed by the arch config or the generic setup is going
1754  * to be used.
1755  */
1756 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK) || \
1757         !defined(CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA)
1758 #define BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK
1759 #endif
1760
1761 /* build pcpu_page_first_chunk() iff needed by the arch config */
1762 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK)
1763 #define BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
1764 #endif
1765
1766 /* pcpu_build_alloc_info() is used by both embed and page first chunk */
1767 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK) || defined(BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK)
1768 /**
1769  * pcpu_build_alloc_info - build alloc_info considering distances between CPUs
1770  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1771  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
1772  * @atom_size: allocation atom size
1773  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
1774  *
1775  * This function determines grouping of units, their mappings to cpus
1776  * and other parameters considering needed percpu size, allocation
1777  * atom size and distances between CPUs.
1778  *
1779  * Groups are always multiples of atom size and CPUs which are of
1780  * LOCAL_DISTANCE both ways are grouped together and share space for
1781  * units in the same group.  The returned configuration is guaranteed
1782  * to have CPUs on different nodes on different groups and >=75% usage
1783  * of allocated virtual address space.
1784  *
1785  * RETURNS:
1786  * On success, pointer to the new allocation_info is returned.  On
1787  * failure, ERR_PTR value is returned.
1788  */
1789 static struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_build_alloc_info(
1790                                 size_t reserved_size, size_t dyn_size,
1791                                 size_t atom_size,
1792                                 pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn)
1793 {
1794         static int group_map[NR_CPUS] __initdata;
1795         static int group_cnt[NR_CPUS] __initdata;
1796         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
1797         int nr_groups = 1, nr_units = 0;
1798         size_t size_sum, min_unit_size, alloc_size;
1799         int upa, max_upa, uninitialized_var(best_upa);  /* units_per_alloc */
1800         int last_allocs, group, unit;
1801         unsigned int cpu, tcpu;
1802         struct pcpu_alloc_info *ai;
1803         unsigned int *cpu_map;
1804
1805         /* this function may be called multiple times */
1806         memset(group_map, 0, sizeof(group_map));
1807         memset(group_cnt, 0, sizeof(group_cnt));
1808
1809         /* calculate size_sum and ensure dyn_size is enough for early alloc */
1810         size_sum = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size +
1811                             max_t(size_t, dyn_size, PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE));
1812         dyn_size = size_sum - static_size - reserved_size;
1813
1814         /*
1815          * Determine min_unit_size, alloc_size and max_upa such that
1816          * alloc_size is multiple of atom_size and is the smallest
1817          * which can accommodate 4k aligned segments which are equal to
1818          * or larger than min_unit_size.
1819          */
1820         min_unit_size = max_t(size_t, size_sum, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
1821
1822         alloc_size = roundup(min_unit_size, atom_size);
1823         upa = alloc_size / min_unit_size;
1824         while (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
1825                 upa--;
1826         max_upa = upa;
1827
1828         /* group cpus according to their proximity */
1829         for_each_possible_cpu(cpu) {
1830                 group = 0;
1831         next_group:
1832                 for_each_possible_cpu(tcpu) {
1833                         if (cpu == tcpu)
1834                                 break;
1835                         if (group_map[tcpu] == group && cpu_distance_fn &&
1836                             (cpu_distance_fn(cpu, tcpu) > LOCAL_DISTANCE ||
1837                              cpu_distance_fn(tcpu, cpu) > LOCAL_DISTANCE)) {
1838                                 group++;
1839                                 nr_groups = max(nr_groups, group + 1);
1840                                 goto next_group;
1841                         }
1842                 }
1843                 group_map[cpu] = group;
1844                 group_cnt[group]++;
1845         }
1846
1847         /*
1848          * Expand unit size until address space usage goes over 75%
1849          * and then as much as possible without using more address
1850          * space.
1851          */
1852         last_allocs = INT_MAX;
1853         for (upa = max_upa; upa; upa--) {
1854                 int allocs = 0, wasted = 0;
1855
1856                 if (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
1857                         continue;
1858
1859                 for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
1860                         int this_allocs = DIV_ROUND_UP(group_cnt[group], upa);
1861                         allocs += this_allocs;
1862                         wasted += this_allocs * upa - group_cnt[group];
1863                 }
1864
1865                 /*
1866                  * Don't accept if wastage is over 1/3.  The
1867                  * greater-than comparison ensures upa==1 always
1868                  * passes the following check.
1869                  */
1870                 if (wasted > num_possible_cpus() / 3)
1871                         continue;
1872
1873                 /* and then don't consume more memory */
1874                 if (allocs > last_allocs)
1875                         break;
1876                 last_allocs = allocs;
1877                 best_upa = upa;
1878         }
1879         upa = best_upa;
1880
1881         /* allocate and fill alloc_info */
1882         for (group = 0; group < nr_groups; group++)
1883                 nr_units += roundup(group_cnt[group], upa);
1884
1885         ai = pcpu_alloc_alloc_info(nr_groups, nr_units);
1886         if (!ai)
1887                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
1888         cpu_map = ai->groups[0].cpu_map;
1889
1890         for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
1891                 ai->groups[group].cpu_map = cpu_map;
1892                 cpu_map += roundup(group_cnt[group], upa);
1893         }
1894
1895         ai->static_size = static_size;
1896         ai->reserved_size = reserved_size;
1897         ai->dyn_size = dyn_size;
1898         ai->unit_size = alloc_size / upa;
1899         ai->atom_size = atom_size;
1900         ai->alloc_size = alloc_size;
1901
1902         for (group = 0, unit = 0; group_cnt[group]; group++) {
1903                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1904
1905                 /*
1906                  * Initialize base_offset as if all groups are located
1907                  * back-to-back.  The caller should update this to
1908                  * reflect actual allocation.
1909                  */
1910                 gi->base_offset = unit * ai->unit_size;
1911
1912                 for_each_possible_cpu(cpu)
1913                         if (group_map[cpu] == group)
1914                                 gi->cpu_map[gi->nr_units++] = cpu;
1915                 gi->nr_units = roundup(gi->nr_units, upa);
1916                 unit += gi->nr_units;
1917         }
1918         BUG_ON(unit != nr_units);
1919
1920         return ai;
1921 }
1922 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK || BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
1923
1924 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK)
1925 /**
1926  * pcpu_embed_first_chunk - embed the first percpu chunk into bootmem
1927  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
1928  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
1929  * @atom_size: allocation atom size
1930  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
1931  * @alloc_fn: function to allocate percpu page
1932  * @free_fn: function to free percpu page
1933  *
1934  * This is a helper to ease setting up embedded first percpu chunk and
1935  * can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
1936  *
1937  * If this function is used to setup the first chunk, it is allocated
1938  * by calling @alloc_fn and used as-is without being mapped into
1939  * vmalloc area.  Allocations are always whole multiples of @atom_size
1940  * aligned to @atom_size.
1941  *
1942  * This enables the first chunk to piggy back on the linear physical
1943  * mapping which often uses larger page size.  Please note that this
1944  * can result in very sparse cpu->unit mapping on NUMA machines thus
1945  * requiring large vmalloc address space.  Don't use this allocator if
1946  * vmalloc space is not orders of magnitude larger than distances
1947  * between node memory addresses (ie. 32bit NUMA machines).
1948  *
1949  * @dyn_size specifies the minimum dynamic area size.
1950  *
1951  * If the needed size is smaller than the minimum or specified unit
1952  * size, the leftover is returned using @free_fn.
1953  *
1954  * RETURNS:
1955  * 0 on success, -errno on failure.
1956  */
1957 int __init pcpu_embed_first_chunk(size_t reserved_size, size_t dyn_size,
1958                                   size_t atom_size,
1959                                   pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn,
1960                                   pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
1961                                   pcpu_fc_free_fn_t free_fn)
1962 {
1963         void *base = (void *)ULONG_MAX;
1964         void **areas = NULL;
1965         struct pcpu_alloc_info *ai;
1966         size_t size_sum, areas_size, max_distance;
1967         int group, i, rc;
1968
1969         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, dyn_size, atom_size,
1970                                    cpu_distance_fn);
1971         if (IS_ERR(ai))
1972                 return PTR_ERR(ai);
1973
1974         size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
1975         areas_size = PFN_ALIGN(ai->nr_groups * sizeof(void *));
1976
1977         areas = memblock_virt_alloc_nopanic(areas_size, 0);
1978         if (!areas) {
1979                 rc = -ENOMEM;
1980                 goto out_free;
1981         }
1982
1983         /* allocate, copy and determine base address */
1984         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
1985                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
1986                 unsigned int cpu = NR_CPUS;
1987                 void *ptr;
1988
1989                 for (i = 0; i < gi->nr_units && cpu == NR_CPUS; i++)
1990                         cpu = gi->cpu_map[i];
1991                 BUG_ON(cpu == NR_CPUS);
1992
1993                 /* allocate space for the whole group */
1994                 ptr = alloc_fn(cpu, gi->nr_units * ai->unit_size, atom_size);
1995                 if (!ptr) {
1996                         rc = -ENOMEM;
1997                         goto out_free_areas;
1998                 }
1999                 /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2000                 kmemleak_free(ptr);
2001                 areas[group] = ptr;
2002
2003                 base = min(ptr, base);
2004         }
2005
2006         /*
2007          * Copy data and free unused parts.  This should happen after all
2008          * allocations are complete; otherwise, we may end up with
2009          * overlapping groups.
2010          */
2011         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2012                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2013                 void *ptr = areas[group];
2014
2015                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++, ptr += ai->unit_size) {
2016                         if (gi->cpu_map[i] == NR_CPUS) {
2017                                 /* unused unit, free whole */
2018                                 free_fn(ptr, ai->unit_size);
2019                                 continue;
2020                         }
2021                         /* copy and return the unused part */
2022                         memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);
2023                         free_fn(ptr + size_sum, ai->unit_size - size_sum);
2024                 }
2025         }
2026
2027         /* base address is now known, determine group base offsets */
2028         max_distance = 0;
2029         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2030                 ai->groups[group].base_offset = areas[group] - base;
2031                 max_distance = max_t(size_t, max_distance,
2032                                      ai->groups[group].base_offset);
2033         }
2034         max_distance += ai->unit_size;
2035
2036         /* warn if maximum distance is further than 75% of vmalloc space */
2037         if (max_distance > VMALLOC_TOTAL * 3 / 4) {
2038                 pr_warning("PERCPU: max_distance=0x%zx too large for vmalloc "
2039                            "space 0x%lx\n", max_distance,
2040                            VMALLOC_TOTAL);
2041 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
2042                 /* and fail if we have fallback */
2043                 rc = -EINVAL;
2044                 goto out_free;
2045 #endif
2046         }
2047
2048         pr_info("PERCPU: Embedded %zu pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu u%zu\n",
2049                 PFN_DOWN(size_sum), base, ai->static_size, ai->reserved_size,
2050                 ai->dyn_size, ai->unit_size);
2051
2052         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, base);
2053         goto out_free;
2054
2055 out_free_areas:
2056         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++)
2057                 if (areas[group])
2058                         free_fn(areas[group],
2059                                 ai->groups[group].nr_units * ai->unit_size);
2060 out_free:
2061         pcpu_free_alloc_info(ai);
2062         if (areas)
2063                 memblock_free_early(__pa(areas), areas_size);
2064         return rc;
2065 }
2066 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK */
2067
2068 #ifdef BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
2069 /**
2070  * pcpu_page_first_chunk - map the first chunk using PAGE_SIZE pages
2071  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
2072  * @alloc_fn: function to allocate percpu page, always called with PAGE_SIZE
2073  * @free_fn: function to free percpu page, always called with PAGE_SIZE
2074  * @populate_pte_fn: function to populate pte
2075  *
2076  * This is a helper to ease setting up page-remapped first percpu
2077  * chunk and can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
2078  *
2079  * This is the basic allocator.  Static percpu area is allocated
2080  * page-by-page into vmalloc area.
2081  *
2082  * RETURNS:
2083  * 0 on success, -errno on failure.
2084  */
2085 int __init pcpu_page_first_chunk(size_t reserved_size,
2086                                  pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
2087                                  pcpu_fc_free_fn_t free_fn,
2088                                  pcpu_fc_populate_pte_fn_t populate_pte_fn)
2089 {
2090         static struct vm_struct vm;
2091         struct pcpu_alloc_info *ai;
2092         char psize_str[16];
2093         int unit_pages;
2094         size_t pages_size;
2095         struct page **pages;
2096         int unit, i, j, rc;
2097
2098         snprintf(psize_str, sizeof(psize_str), "%luK", PAGE_SIZE >> 10);
2099
2100         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, 0, PAGE_SIZE, NULL);
2101         if (IS_ERR(ai))
2102                 return PTR_ERR(ai);
2103         BUG_ON(ai->nr_groups != 1);
2104         BUG_ON(ai->groups[0].nr_units != num_possible_cpus());
2105
2106         unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
2107
2108         /* unaligned allocations can't be freed, round up to page size */
2109         pages_size = PFN_ALIGN(unit_pages * num_possible_cpus() *
2110                                sizeof(pages[0]));
2111         pages = memblock_virt_alloc(pages_size, 0);
2112
2113         /* allocate pages */
2114         j = 0;
2115         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++)
2116                 for (i = 0; i < unit_pages; i++) {
2117                         unsigned int cpu = ai->groups[0].cpu_map[unit];
2118                         void *ptr;
2119
2120                         ptr = alloc_fn(cpu, PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
2121                         if (!ptr) {
2122                                 pr_warning("PERCPU: failed to allocate %s page "
2123                                            "for cpu%u\n", psize_str, cpu);
2124                                 goto enomem;
2125                         }
2126                         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2127                         kmemleak_free(ptr);
2128                         pages[j++] = virt_to_page(ptr);
2129                 }
2130
2131         /* allocate vm area, map the pages and copy static data */
2132         vm.flags = VM_ALLOC;
2133         vm.size = num_possible_cpus() * ai->unit_size;
2134         vm_area_register_early(&vm, PAGE_SIZE);
2135
2136         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
2137                 unsigned long unit_addr =
2138                         (unsigned long)vm.addr + unit * ai->unit_size;
2139
2140                 for (i = 0; i < unit_pages; i++)
2141                         populate_pte_fn(unit_addr + (i << PAGE_SHIFT));
2142
2143                 /* pte already populated, the following shouldn't fail */
2144                 rc = __pcpu_map_pages(unit_addr, &pages[unit * unit_pages],
2145                                       unit_pages);
2146                 if (rc < 0)
2147                         panic("failed to map percpu area, err=%d\n", rc);
2148
2149                 /*
2150                  * FIXME: Archs with virtual cache should flush local
2151                  * cache for the linear mapping here - something
2152                  * equivalent to flush_cache_vmap() on the local cpu.
2153                  * flush_cache_vmap() can't be used as most supporting
2154                  * data structures are not set up yet.
2155                  */
2156
2157                 /* copy static data */
2158                 memcpy((void *)unit_addr, __per_cpu_load, ai->static_size);
2159         }
2160
2161         /* we're ready, commit */
2162         pr_info("PERCPU: %d %s pages/cpu @%p s%zu r%zu d%zu\n",
2163                 unit_pages, psize_str, vm.addr, ai->static_size,
2164                 ai->reserved_size, ai->dyn_size);
2165
2166         rc = pcpu_setup_first_chunk(ai, vm.addr);
2167         goto out_free_ar;
2168
2169 enomem:
2170         while (--j >= 0)
2171                 free_fn(page_address(pages[j]), PAGE_SIZE);
2172         rc = -ENOMEM;
2173 out_free_ar:
2174         memblock_free_early(__pa(pages), pages_size);
2175         pcpu_free_alloc_info(ai);
2176         return rc;
2177 }
2178 #endif /* BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
2179
2180 #ifndef CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA
2181 /*
2182  * Generic SMP percpu area setup.
2183  *
2184  * The embedding helper is used because its behavior closely resembles
2185  * the original non-dynamic generic percpu area setup.  This is
2186  * important because many archs have addressing restrictions and might
2187  * fail if the percpu area is located far away from the previous
2188  * location.  As an added bonus, in non-NUMA cases, embedding is
2189  * generally a good idea TLB-wise because percpu area can piggy back
2190  * on the physical linear memory mapping which uses large page
2191  * mappings on applicable archs.
2192  */
2193 unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS] __read_mostly;
2194 EXPORT_SYMBOL(__per_cpu_offset);
2195
2196 static void * __init pcpu_dfl_fc_alloc(unsigned int cpu, size_t size,
2197                                        size_t align)
2198 {
2199         return  memblock_virt_alloc_from_nopanic(
2200                         size, align, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
2201 }
2202
2203 static void __init pcpu_dfl_fc_free(void *ptr, size_t size)
2204 {
2205         memblock_free_early(__pa(ptr), size);
2206 }
2207
2208 void __init setup_per_cpu_areas(void)
2209 {
2210         unsigned long delta;
2211         unsigned int cpu;
2212         int rc;
2213
2214         /*
2215          * Always reserve area for module percpu variables.  That's
2216          * what the legacy allocator did.
2217          */
2218         rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,
2219                                     PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,
2220                                     pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);
2221         if (rc < 0)
2222                 panic("Failed to initialize percpu areas.");
2223
2224         delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;
2225         for_each_possible_cpu(cpu)
2226                 __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];
2227 }
2228 #endif  /* CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA */
2229
2230 #else   /* CONFIG_SMP */
2231
2232 /*
2233  * UP percpu area setup.
2234  *
2235  * UP always uses km-based percpu allocator with identity mapping.
2236  * Static percpu variables are indistinguishable from the usual static
2237  * variables and don't require any special preparation.
2238  */
2239 void __init setup_per_cpu_areas(void)
2240 {
2241         const size_t unit_size =
2242                 roundup_pow_of_two(max_t(size_t, PCPU_MIN_UNIT_SIZE,
2243                                          PERCPU_DYNAMIC_RESERVE));
2244         struct pcpu_alloc_info *ai;
2245         void *fc;
2246
2247         ai = pcpu_alloc_alloc_info(1, 1);
2248         fc = memblock_virt_alloc_from_nopanic(unit_size,
2249                                               PAGE_SIZE,
2250                                               __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
2251         if (!ai || !fc)
2252                 panic("Failed to allocate memory for percpu areas.");
2253         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
2254         kmemleak_free(fc);
2255
2256         ai->dyn_size = unit_size;
2257         ai->unit_size = unit_size;
2258         ai->atom_size = unit_size;
2259         ai->alloc_size = unit_size;
2260         ai->groups[0].nr_units = 1;
2261         ai->groups[0].cpu_map[0] = 0;
2262
2263         if (pcpu_setup_first_chunk(ai, fc) < 0)
2264                 panic("Failed to initialize percpu areas.");
2265 }
2266
2267 #endif  /* CONFIG_SMP */
2268
2269 /*
2270  * First and reserved chunks are initialized with temporary allocation
2271  * map in initdata so that they can be used before slab is online.
2272  * This function is called after slab is brought up and replaces those
2273  * with properly allocated maps.
2274  */
2275 void __init percpu_init_late(void)
2276 {
2277         struct pcpu_chunk *target_chunks[] =
2278                 { pcpu_first_chunk, pcpu_reserved_chunk, NULL };
2279         struct pcpu_chunk *chunk;
2280         unsigned long flags;
2281         int i;
2282
2283         for (i = 0; (chunk = target_chunks[i]); i++) {
2284                 int *map;
2285                 const size_t size = PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SLOTS * sizeof(map[0]);
2286
2287                 BUILD_BUG_ON(size > PAGE_SIZE);
2288
2289                 map = pcpu_mem_zalloc(size);
2290                 BUG_ON(!map);
2291
2292                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
2293                 memcpy(map, chunk->map, size);
2294                 chunk->map = map;
2295                 spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
2296         }
2297 }
2298
2299 /*
2300  * Percpu allocator is initialized early during boot when neither slab or
2301  * workqueue is available.  Plug async management until everything is up
2302  * and running.
2303  */
2304 static int __init percpu_enable_async(void)
2305 {
2306         pcpu_async_enabled = true;
2307         return 0;
2308 }
2309 subsys_initcall(percpu_enable_async);