Add the rt linux 4.1.3-rt3 as base
[kvmfornfv.git] / kernel / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
30  *              component page after the first page
31  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
32  *              Look at size_class->huge.
33  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
34  *              Free objects are linked together using in-place
35  *              metadata.
36  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
37  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
38  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
39  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
40  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_DEBUG
49 #define DEBUG
50 #endif
51
52 #include <linux/module.h>
53 #include <linux/kernel.h>
54 #include <linux/sched.h>
55 #include <linux/bitops.h>
56 #include <linux/errno.h>
57 #include <linux/highmem.h>
58 #include <linux/string.h>
59 #include <linux/slab.h>
60 #include <asm/tlbflush.h>
61 #include <asm/pgtable.h>
62 #include <linux/cpumask.h>
63 #include <linux/cpu.h>
64 #include <linux/vmalloc.h>
65 #include <linux/hardirq.h>
66 #include <linux/spinlock.h>
67 #include <linux/types.h>
68 #include <linux/debugfs.h>
69 #include <linux/zsmalloc.h>
70 #include <linux/zpool.h>
71
72 /*
73  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
74  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
75  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
76  * to restore link_free pointer values.
77  */
78 #define ZS_ALIGN                8
79
80 /*
81  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
82  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
83  */
84 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
85 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
86
87 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
88
89 /*
90  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
91  * as single (unsigned long) handle value.
92  *
93  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
94  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
95  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
96  *
97  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
98  */
99
100 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
101 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
102 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
103 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
104 /*
105  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
106  * be PAGE_SHIFT
107  */
108 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
109 #endif
110 #endif
111 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
112
113 /*
114  * Memory for allocating for handle keeps object position by
115  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
116  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
117  * We use the bit to synchronize between object access by
118  * user and migration.
119  */
120 #define HANDLE_PIN_BIT  0
121
122 /*
123  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
124  * to identify the object was allocated or not.
125  * It's okay to add the status bit in the least bit because
126  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
127  * have room for two bit at least.
128  */
129 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
130 #define OBJ_TAG_BITS 1
131 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
132 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
133
134 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
135 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
136 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
137         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
138 /* each chunk includes extra space to keep handle */
139 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
140
141 /*
142  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
143  * trader-off here:
144  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
145  *    spread across these classes
146  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
147  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
148  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
149  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
150  *
151  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
152  *  (reason above)
153  */
154 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
155
156 /*
157  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
158  */
159 enum fullness_group {
160         ZS_ALMOST_FULL,
161         ZS_ALMOST_EMPTY,
162         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
163
164         ZS_EMPTY,
165         ZS_FULL
166 };
167
168 enum zs_stat_type {
169         OBJ_ALLOCATED,
170         OBJ_USED,
171         CLASS_ALMOST_FULL,
172         CLASS_ALMOST_EMPTY,
173         NR_ZS_STAT_TYPE,
174 };
175
176 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
177
178 static struct dentry *zs_stat_root;
179
180 struct zs_size_stat {
181         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
182 };
183
184 #endif
185
186 /*
187  * number of size_classes
188  */
189 static int zs_size_classes;
190
191 /*
192  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
193  *      n <= N / f, where
194  * n = number of allocated objects
195  * N = total number of objects zspage can store
196  * f = fullness_threshold_frac
197  *
198  * Similarly, we assign zspage to:
199  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
200  *      ZS_EMPTY        when n == 0
201  *      ZS_FULL         when n == N
202  *
203  * (see: fix_fullness_group())
204  */
205 static const int fullness_threshold_frac = 4;
206
207 struct size_class {
208         /*
209          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
210          * of ZS_ALIGN.
211          */
212         int size;
213         unsigned int index;
214
215         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
216         int pages_per_zspage;
217         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
218         bool huge;
219
220 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
221         struct zs_size_stat stats;
222 #endif
223
224         spinlock_t lock;
225
226         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
227 };
228
229 /*
230  * Placed within free objects to form a singly linked list.
231  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
232  *
233  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
234  */
235 struct link_free {
236         union {
237                 /*
238                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
239                  * It's valid for non-allocated object
240                  */
241                 void *next;
242                 /*
243                  * Handle of allocated object.
244                  */
245                 unsigned long handle;
246         };
247 };
248
249 struct zs_pool {
250         char *name;
251
252         struct size_class **size_class;
253         struct kmem_cache *handle_cachep;
254
255         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
256         atomic_long_t pages_allocated;
257
258 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
259         struct dentry *stat_dentry;
260 #endif
261 };
262
263 /*
264  * A zspage's class index and fullness group
265  * are encoded in its (first)page->mapping
266  */
267 #define CLASS_IDX_BITS  28
268 #define FULLNESS_BITS   4
269 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
270 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
271
272 struct mapping_area {
273 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
274         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
275 #else
276         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
277 #endif
278         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
279         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
280         bool huge;
281 };
282
283 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
284 {
285         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
286                                         0, 0, NULL);
287         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
288 }
289
290 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
291 {
292         if (pool->handle_cachep)
293                 kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
294 }
295
296 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
297 {
298         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
299                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
300 }
301
302 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
303 {
304         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
305 }
306
307 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
308 {
309         *(unsigned long *)handle = obj;
310 }
311
312 /* zpool driver */
313
314 #ifdef CONFIG_ZPOOL
315
316 static void *zs_zpool_create(char *name, gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops)
317 {
318         return zs_create_pool(name, gfp);
319 }
320
321 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
322 {
323         zs_destroy_pool(pool);
324 }
325
326 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
327                         unsigned long *handle)
328 {
329         *handle = zs_malloc(pool, size);
330         return *handle ? 0 : -1;
331 }
332 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
333 {
334         zs_free(pool, handle);
335 }
336
337 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
338                         unsigned int *reclaimed)
339 {
340         return -EINVAL;
341 }
342
343 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
344                         enum zpool_mapmode mm)
345 {
346         enum zs_mapmode zs_mm;
347
348         switch (mm) {
349         case ZPOOL_MM_RO:
350                 zs_mm = ZS_MM_RO;
351                 break;
352         case ZPOOL_MM_WO:
353                 zs_mm = ZS_MM_WO;
354                 break;
355         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
356         default:
357                 zs_mm = ZS_MM_RW;
358                 break;
359         }
360
361         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
362 }
363 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
364 {
365         zs_unmap_object(pool, handle);
366 }
367
368 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
369 {
370         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
371 }
372
373 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
374         .type =         "zsmalloc",
375         .owner =        THIS_MODULE,
376         .create =       zs_zpool_create,
377         .destroy =      zs_zpool_destroy,
378         .malloc =       zs_zpool_malloc,
379         .free =         zs_zpool_free,
380         .shrink =       zs_zpool_shrink,
381         .map =          zs_zpool_map,
382         .unmap =        zs_zpool_unmap,
383         .total_size =   zs_zpool_total_size,
384 };
385
386 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
387 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
388
389 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
390 {
391         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
392 }
393
394 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
395 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
396
397 static int is_first_page(struct page *page)
398 {
399         return PagePrivate(page);
400 }
401
402 static int is_last_page(struct page *page)
403 {
404         return PagePrivate2(page);
405 }
406
407 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
408                                 enum fullness_group *fullness)
409 {
410         unsigned long m;
411         BUG_ON(!is_first_page(page));
412
413         m = (unsigned long)page->mapping;
414         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
415         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
416 }
417
418 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
419                                 enum fullness_group fullness)
420 {
421         unsigned long m;
422         BUG_ON(!is_first_page(page));
423
424         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
425                         (fullness & FULLNESS_MASK);
426         page->mapping = (struct address_space *)m;
427 }
428
429 /*
430  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
431  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
432  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
433  * classes depending on its size. This function returns index of the
434  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
435  */
436 static int get_size_class_index(int size)
437 {
438         int idx = 0;
439
440         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
441                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
442                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
443
444         return min(zs_size_classes - 1, idx);
445 }
446
447 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
448
449 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
450                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
451 {
452         class->stats.objs[type] += cnt;
453 }
454
455 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
456                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
457 {
458         class->stats.objs[type] -= cnt;
459 }
460
461 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
462                                 enum zs_stat_type type)
463 {
464         return class->stats.objs[type];
465 }
466
467 static int __init zs_stat_init(void)
468 {
469         if (!debugfs_initialized())
470                 return -ENODEV;
471
472         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
473         if (!zs_stat_root)
474                 return -ENOMEM;
475
476         return 0;
477 }
478
479 static void __exit zs_stat_exit(void)
480 {
481         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
482 }
483
484 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
485 {
486         int i;
487         struct zs_pool *pool = s->private;
488         struct size_class *class;
489         int objs_per_zspage;
490         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
491         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
492         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
493         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
494
495         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
496                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
497                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
498                         "pages_per_zspage");
499
500         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
501                 class = pool->size_class[i];
502
503                 if (class->index != i)
504                         continue;
505
506                 spin_lock(&class->lock);
507                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
508                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
509                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
510                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
511                 spin_unlock(&class->lock);
512
513                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
514                                 class->pages_per_zspage);
515                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
516                                 class->pages_per_zspage;
517
518                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
519                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
520                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
521                         class->pages_per_zspage);
522
523                 total_class_almost_full += class_almost_full;
524                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
525                 total_objs += obj_allocated;
526                 total_used_objs += obj_used;
527                 total_pages += pages_used;
528         }
529
530         seq_puts(s, "\n");
531         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
532                         "Total", "", total_class_almost_full,
533                         total_class_almost_empty, total_objs,
534                         total_used_objs, total_pages);
535
536         return 0;
537 }
538
539 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
540 {
541         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
542 }
543
544 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
545         .open           = zs_stats_size_open,
546         .read           = seq_read,
547         .llseek         = seq_lseek,
548         .release        = single_release,
549 };
550
551 static int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
552 {
553         struct dentry *entry;
554
555         if (!zs_stat_root)
556                 return -ENODEV;
557
558         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
559         if (!entry) {
560                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
561                 return -ENOMEM;
562         }
563         pool->stat_dentry = entry;
564
565         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
566                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
567         if (!entry) {
568                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
569                                 name, "classes");
570                 return -ENOMEM;
571         }
572
573         return 0;
574 }
575
576 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
577 {
578         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
579 }
580
581 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
582
583 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
584                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
585 {
586 }
587
588 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
589                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
590 {
591 }
592
593 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
594                                 enum zs_stat_type type)
595 {
596         return 0;
597 }
598
599 static int __init zs_stat_init(void)
600 {
601         return 0;
602 }
603
604 static void __exit zs_stat_exit(void)
605 {
606 }
607
608 static inline int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
609 {
610         return 0;
611 }
612
613 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
614 {
615 }
616
617 #endif
618
619
620 /*
621  * For each size class, zspages are divided into different groups
622  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
623  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
624  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
625  * status of the given page.
626  */
627 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
628 {
629         int inuse, max_objects;
630         enum fullness_group fg;
631         BUG_ON(!is_first_page(page));
632
633         inuse = page->inuse;
634         max_objects = page->objects;
635
636         if (inuse == 0)
637                 fg = ZS_EMPTY;
638         else if (inuse == max_objects)
639                 fg = ZS_FULL;
640         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
641                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
642         else
643                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
644
645         return fg;
646 }
647
648 /*
649  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
650  * to one of these freelists based on the number of live objects they
651  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
652  * identified by <class, fullness_group>.
653  */
654 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
655                                 enum fullness_group fullness)
656 {
657         struct page **head;
658
659         BUG_ON(!is_first_page(page));
660
661         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
662                 return;
663
664         head = &class->fullness_list[fullness];
665         if (*head)
666                 list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
667
668         *head = page;
669         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
670                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
671 }
672
673 /*
674  * This function removes the given zspage from the freelist identified
675  * by <class, fullness_group>.
676  */
677 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
678                                 enum fullness_group fullness)
679 {
680         struct page **head;
681
682         BUG_ON(!is_first_page(page));
683
684         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
685                 return;
686
687         head = &class->fullness_list[fullness];
688         BUG_ON(!*head);
689         if (list_empty(&(*head)->lru))
690                 *head = NULL;
691         else if (*head == page)
692                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
693                                         struct page, lru);
694
695         list_del_init(&page->lru);
696         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
697                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
698 }
699
700 /*
701  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
702  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
703  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
704  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
705  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
706  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
707  * fullness group.
708  */
709 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
710                                                 struct page *page)
711 {
712         int class_idx;
713         enum fullness_group currfg, newfg;
714
715         BUG_ON(!is_first_page(page));
716
717         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
718         newfg = get_fullness_group(page);
719         if (newfg == currfg)
720                 goto out;
721
722         remove_zspage(page, class, currfg);
723         insert_zspage(page, class, newfg);
724         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
725
726 out:
727         return newfg;
728 }
729
730 /*
731  * We have to decide on how many pages to link together
732  * to form a zspage for each size class. This is important
733  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
734  * each zspage which is given as:
735  *     wastage = Zp % class_size
736  *     usage = Zp - wastage
737  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
738  *
739  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
740  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
741  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
742  */
743 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
744 {
745         int i, max_usedpc = 0;
746         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
747         int max_usedpc_order = 1;
748
749         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
750                 int zspage_size;
751                 int waste, usedpc;
752
753                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
754                 waste = zspage_size % class_size;
755                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
756
757                 if (usedpc > max_usedpc) {
758                         max_usedpc = usedpc;
759                         max_usedpc_order = i;
760                 }
761         }
762
763         return max_usedpc_order;
764 }
765
766 /*
767  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
768  * linked together using fields in struct page. This function finds
769  * the first/head page, given any component page of a zspage.
770  */
771 static struct page *get_first_page(struct page *page)
772 {
773         if (is_first_page(page))
774                 return page;
775         else
776                 return page->first_page;
777 }
778
779 static struct page *get_next_page(struct page *page)
780 {
781         struct page *next;
782
783         if (is_last_page(page))
784                 next = NULL;
785         else if (is_first_page(page))
786                 next = (struct page *)page_private(page);
787         else
788                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
789
790         return next;
791 }
792
793 /*
794  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
795  * We use the least bit of handle for tagging.
796  */
797 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
798 {
799         unsigned long obj;
800
801         if (!page) {
802                 BUG_ON(obj_idx);
803                 return NULL;
804         }
805
806         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
807         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
808         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
809
810         return (void *)obj;
811 }
812
813 /*
814  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
815  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
816  * location_to_obj().
817  */
818 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
819                                 unsigned long *obj_idx)
820 {
821         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
822         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
823         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
824 }
825
826 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
827 {
828         return *(unsigned long *)handle;
829 }
830
831 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
832                         void *obj)
833 {
834         if (class->huge) {
835                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
836                 return *(unsigned long *)page_private(page);
837         } else
838                 return *(unsigned long *)obj;
839 }
840
841 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
842                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
843 {
844         unsigned long off = 0;
845
846         if (!is_first_page(page))
847                 off = page->index;
848
849         return off + obj_idx * class_size;
850 }
851
852 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
853 {
854         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
855
856         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
857 }
858
859 static void pin_tag(unsigned long handle)
860 {
861         while (!trypin_tag(handle));
862 }
863
864 static void unpin_tag(unsigned long handle)
865 {
866         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
867
868         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
869 }
870
871 static void reset_page(struct page *page)
872 {
873         clear_bit(PG_private, &page->flags);
874         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
875         set_page_private(page, 0);
876         page->mapping = NULL;
877         page->freelist = NULL;
878         page_mapcount_reset(page);
879 }
880
881 static void free_zspage(struct page *first_page)
882 {
883         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
884
885         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
886         BUG_ON(first_page->inuse);
887
888         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
889
890         reset_page(first_page);
891         __free_page(first_page);
892
893         /* zspage with only 1 system page */
894         if (!head_extra)
895                 return;
896
897         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
898                 list_del(&nextp->lru);
899                 reset_page(nextp);
900                 __free_page(nextp);
901         }
902         reset_page(head_extra);
903         __free_page(head_extra);
904 }
905
906 /* Initialize a newly allocated zspage */
907 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
908 {
909         unsigned long off = 0;
910         struct page *page = first_page;
911
912         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
913         while (page) {
914                 struct page *next_page;
915                 struct link_free *link;
916                 unsigned int i = 1;
917                 void *vaddr;
918
919                 /*
920                  * page->index stores offset of first object starting
921                  * in the page. For the first page, this is always 0,
922                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
923                  * head of corresponding zspage's freelist.
924                  */
925                 if (page != first_page)
926                         page->index = off;
927
928                 vaddr = kmap_atomic(page);
929                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
930
931                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
932                         link->next = location_to_obj(page, i++);
933                         link += class->size / sizeof(*link);
934                 }
935
936                 /*
937                  * We now come to the last (full or partial) object on this
938                  * page, which must point to the first object on the next
939                  * page (if present)
940                  */
941                 next_page = get_next_page(page);
942                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
943                 kunmap_atomic(vaddr);
944                 page = next_page;
945                 off %= PAGE_SIZE;
946         }
947 }
948
949 /*
950  * Allocate a zspage for the given size class
951  */
952 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
953 {
954         int i, error;
955         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
956
957         /*
958          * Allocate individual pages and link them together as:
959          * 1. first page->private = first sub-page
960          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
961          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
962          *
963          * For each size class, First/Head pages are linked together using
964          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
965          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
966          * identify the last page.
967          */
968         error = -ENOMEM;
969         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
970                 struct page *page;
971
972                 page = alloc_page(flags);
973                 if (!page)
974                         goto cleanup;
975
976                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
977                 if (i == 0) {   /* first page */
978                         SetPagePrivate(page);
979                         set_page_private(page, 0);
980                         first_page = page;
981                         first_page->inuse = 0;
982                 }
983                 if (i == 1)
984                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
985                 if (i >= 1)
986                         page->first_page = first_page;
987                 if (i >= 2)
988                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
989                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
990                         SetPagePrivate2(page);
991                 prev_page = page;
992         }
993
994         init_zspage(first_page, class);
995
996         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
997         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
998         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
999
1000         error = 0; /* Success */
1001
1002 cleanup:
1003         if (unlikely(error) && first_page) {
1004                 free_zspage(first_page);
1005                 first_page = NULL;
1006         }
1007
1008         return first_page;
1009 }
1010
1011 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1012 {
1013         int i;
1014         struct page *page;
1015
1016         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1017                 page = class->fullness_list[i];
1018                 if (page)
1019                         break;
1020         }
1021
1022         return page;
1023 }
1024
1025 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1026 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1027 {
1028         /*
1029          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1030          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1031          */
1032         if (area->vm)
1033                 return 0;
1034         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1035         if (!area->vm)
1036                 return -ENOMEM;
1037         return 0;
1038 }
1039
1040 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1041 {
1042         if (area->vm)
1043                 free_vm_area(area->vm);
1044         area->vm = NULL;
1045 }
1046
1047 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1048                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1049 {
1050         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1051         area->vm_addr = area->vm->addr;
1052         return area->vm_addr + off;
1053 }
1054
1055 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1056                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1057 {
1058         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1059
1060         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1061 }
1062
1063 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1064
1065 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1066 {
1067         /*
1068          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1069          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1070          */
1071         if (area->vm_buf)
1072                 return 0;
1073         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1074         if (!area->vm_buf)
1075                 return -ENOMEM;
1076         return 0;
1077 }
1078
1079 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1080 {
1081         kfree(area->vm_buf);
1082         area->vm_buf = NULL;
1083 }
1084
1085 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1086                         struct page *pages[2], int off, int size)
1087 {
1088         int sizes[2];
1089         void *addr;
1090         char *buf = area->vm_buf;
1091
1092         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1093         pagefault_disable();
1094
1095         /* no read fastpath */
1096         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1097                 goto out;
1098
1099         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1100         sizes[1] = size - sizes[0];
1101
1102         /* copy object to per-cpu buffer */
1103         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1104         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1105         kunmap_atomic(addr);
1106         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1107         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1108         kunmap_atomic(addr);
1109 out:
1110         return area->vm_buf;
1111 }
1112
1113 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1114                         struct page *pages[2], int off, int size)
1115 {
1116         int sizes[2];
1117         void *addr;
1118         char *buf;
1119
1120         /* no write fastpath */
1121         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1122                 goto out;
1123
1124         buf = area->vm_buf;
1125         if (!area->huge) {
1126                 buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1127                 size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1128                 off += ZS_HANDLE_SIZE;
1129         }
1130
1131         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1132         sizes[1] = size - sizes[0];
1133
1134         /* copy per-cpu buffer to object */
1135         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1136         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1137         kunmap_atomic(addr);
1138         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1139         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1140         kunmap_atomic(addr);
1141
1142 out:
1143         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1144         pagefault_enable();
1145 }
1146
1147 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1148
1149 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1150                                 void *pcpu)
1151 {
1152         int ret, cpu = (long)pcpu;
1153         struct mapping_area *area;
1154
1155         switch (action) {
1156         case CPU_UP_PREPARE:
1157                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1158                 ret = __zs_cpu_up(area);
1159                 if (ret)
1160                         return notifier_from_errno(ret);
1161                 break;
1162         case CPU_DEAD:
1163         case CPU_UP_CANCELED:
1164                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1165                 __zs_cpu_down(area);
1166                 break;
1167         }
1168
1169         return NOTIFY_OK;
1170 }
1171
1172 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1173         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1174 };
1175
1176 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1177 {
1178         int cpu, uninitialized_var(ret);
1179
1180         cpu_notifier_register_begin();
1181
1182         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1183         for_each_online_cpu(cpu) {
1184                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1185                 if (notifier_to_errno(ret))
1186                         break;
1187         }
1188
1189         cpu_notifier_register_done();
1190         return notifier_to_errno(ret);
1191 }
1192
1193 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1194 {
1195         int cpu;
1196
1197         cpu_notifier_register_begin();
1198
1199         for_each_online_cpu(cpu)
1200                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1201         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1202
1203         cpu_notifier_register_done();
1204 }
1205
1206 static void init_zs_size_classes(void)
1207 {
1208         int nr;
1209
1210         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1211         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1212                 nr += 1;
1213
1214         zs_size_classes = nr;
1215 }
1216
1217 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1218 {
1219         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1220                 return false;
1221
1222         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1223                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1224                 return false;
1225
1226         return true;
1227 }
1228
1229 static bool zspage_full(struct page *page)
1230 {
1231         BUG_ON(!is_first_page(page));
1232
1233         return page->inuse == page->objects;
1234 }
1235
1236 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1237 {
1238         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1239 }
1240 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1241
1242 /**
1243  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1244  * @pool: pool from which the object was allocated
1245  * @handle: handle returned from zs_malloc
1246  *
1247  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1248  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1249  * zs_unmap_object.
1250  *
1251  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1252  * against nested mappings.
1253  *
1254  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1255  */
1256 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1257                         enum zs_mapmode mm)
1258 {
1259         struct page *page;
1260         unsigned long obj, obj_idx, off;
1261
1262         unsigned int class_idx;
1263         enum fullness_group fg;
1264         struct size_class *class;
1265         struct mapping_area *area;
1266         struct page *pages[2];
1267         void *ret;
1268
1269         BUG_ON(!handle);
1270
1271         /*
1272          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1273          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1274          * because it can corrupt another users mappings.
1275          */
1276         BUG_ON(in_interrupt());
1277
1278         /* From now on, migration cannot move the object */
1279         pin_tag(handle);
1280
1281         obj = handle_to_obj(handle);
1282         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1283         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1284         class = pool->size_class[class_idx];
1285         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1286
1287         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1288         area->vm_mm = mm;
1289         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1290                 /* this object is contained entirely within a page */
1291                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1292                 ret = area->vm_addr + off;
1293                 goto out;
1294         }
1295
1296         /* this object spans two pages */
1297         pages[0] = page;
1298         pages[1] = get_next_page(page);
1299         BUG_ON(!pages[1]);
1300
1301         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1302 out:
1303         if (!class->huge)
1304                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1305
1306         return ret;
1307 }
1308 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1309
1310 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1311 {
1312         struct page *page;
1313         unsigned long obj, obj_idx, off;
1314
1315         unsigned int class_idx;
1316         enum fullness_group fg;
1317         struct size_class *class;
1318         struct mapping_area *area;
1319
1320         BUG_ON(!handle);
1321
1322         obj = handle_to_obj(handle);
1323         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1324         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1325         class = pool->size_class[class_idx];
1326         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1327
1328         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1329         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1330                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1331         else {
1332                 struct page *pages[2];
1333
1334                 pages[0] = page;
1335                 pages[1] = get_next_page(page);
1336                 BUG_ON(!pages[1]);
1337
1338                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1339         }
1340         put_cpu_var(zs_map_area);
1341         unpin_tag(handle);
1342 }
1343 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1344
1345 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1346                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1347 {
1348         unsigned long obj;
1349         struct link_free *link;
1350
1351         struct page *m_page;
1352         unsigned long m_objidx, m_offset;
1353         void *vaddr;
1354
1355         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1356         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1357         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1358         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1359
1360         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1361         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1362         first_page->freelist = link->next;
1363         if (!class->huge)
1364                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1365                 link->handle = handle;
1366         else
1367                 /* record handle in first_page->private */
1368                 set_page_private(first_page, handle);
1369         kunmap_atomic(vaddr);
1370         first_page->inuse++;
1371         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1372
1373         return obj;
1374 }
1375
1376
1377 /**
1378  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1379  * @pool: pool to allocate from
1380  * @size: size of block to allocate
1381  *
1382  * On success, handle to the allocated object is returned,
1383  * otherwise 0.
1384  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1385  */
1386 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1387 {
1388         unsigned long handle, obj;
1389         struct size_class *class;
1390         struct page *first_page;
1391
1392         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1393                 return 0;
1394
1395         handle = alloc_handle(pool);
1396         if (!handle)
1397                 return 0;
1398
1399         /* extra space in chunk to keep the handle */
1400         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1401         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1402
1403         spin_lock(&class->lock);
1404         first_page = find_get_zspage(class);
1405
1406         if (!first_page) {
1407                 spin_unlock(&class->lock);
1408                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1409                 if (unlikely(!first_page)) {
1410                         free_handle(pool, handle);
1411                         return 0;
1412                 }
1413
1414                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1415                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1416                                         &pool->pages_allocated);
1417
1418                 spin_lock(&class->lock);
1419                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1420                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1421         }
1422
1423         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1424         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1425         fix_fullness_group(class, first_page);
1426         record_obj(handle, obj);
1427         spin_unlock(&class->lock);
1428
1429         return handle;
1430 }
1431 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1432
1433 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1434                         unsigned long obj)
1435 {
1436         struct link_free *link;
1437         struct page *first_page, *f_page;
1438         unsigned long f_objidx, f_offset;
1439         void *vaddr;
1440         int class_idx;
1441         enum fullness_group fullness;
1442
1443         BUG_ON(!obj);
1444
1445         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1446         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1447         first_page = get_first_page(f_page);
1448
1449         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1450         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1451
1452         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1453
1454         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1455         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1456         link->next = first_page->freelist;
1457         if (class->huge)
1458                 set_page_private(first_page, 0);
1459         kunmap_atomic(vaddr);
1460         first_page->freelist = (void *)obj;
1461         first_page->inuse--;
1462         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1463 }
1464
1465 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1466 {
1467         struct page *first_page, *f_page;
1468         unsigned long obj, f_objidx;
1469         int class_idx;
1470         struct size_class *class;
1471         enum fullness_group fullness;
1472
1473         if (unlikely(!handle))
1474                 return;
1475
1476         pin_tag(handle);
1477         obj = handle_to_obj(handle);
1478         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1479         first_page = get_first_page(f_page);
1480
1481         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1482         class = pool->size_class[class_idx];
1483
1484         spin_lock(&class->lock);
1485         obj_free(pool, class, obj);
1486         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1487         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1488                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1489                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1490                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1491                                 &pool->pages_allocated);
1492                 free_zspage(first_page);
1493         }
1494         spin_unlock(&class->lock);
1495         unpin_tag(handle);
1496
1497         free_handle(pool, handle);
1498 }
1499 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1500
1501 static void zs_object_copy(unsigned long src, unsigned long dst,
1502                                 struct size_class *class)
1503 {
1504         struct page *s_page, *d_page;
1505         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1506         unsigned long s_off, d_off;
1507         void *s_addr, *d_addr;
1508         int s_size, d_size, size;
1509         int written = 0;
1510
1511         s_size = d_size = class->size;
1512
1513         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1514         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1515
1516         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1517         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1518
1519         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1520                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1521
1522         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1523                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1524
1525         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1526         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1527
1528         while (1) {
1529                 size = min(s_size, d_size);
1530                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1531                 written += size;
1532
1533                 if (written == class->size)
1534                         break;
1535
1536                 s_off += size;
1537                 s_size -= size;
1538                 d_off += size;
1539                 d_size -= size;
1540
1541                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1542                         kunmap_atomic(d_addr);
1543                         kunmap_atomic(s_addr);
1544                         s_page = get_next_page(s_page);
1545                         BUG_ON(!s_page);
1546                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1547                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1548                         s_size = class->size - written;
1549                         s_off = 0;
1550                 }
1551
1552                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1553                         kunmap_atomic(d_addr);
1554                         d_page = get_next_page(d_page);
1555                         BUG_ON(!d_page);
1556                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1557                         d_size = class->size - written;
1558                         d_off = 0;
1559                 }
1560         }
1561
1562         kunmap_atomic(d_addr);
1563         kunmap_atomic(s_addr);
1564 }
1565
1566 /*
1567  * Find alloced object in zspage from index object and
1568  * return handle.
1569  */
1570 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1571                                         struct size_class *class)
1572 {
1573         unsigned long head;
1574         int offset = 0;
1575         unsigned long handle = 0;
1576         void *addr = kmap_atomic(page);
1577
1578         if (!is_first_page(page))
1579                 offset = page->index;
1580         offset += class->size * index;
1581
1582         while (offset < PAGE_SIZE) {
1583                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1584                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1585                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1586                         if (trypin_tag(handle))
1587                                 break;
1588                         handle = 0;
1589                 }
1590
1591                 offset += class->size;
1592                 index++;
1593         }
1594
1595         kunmap_atomic(addr);
1596         return handle;
1597 }
1598
1599 struct zs_compact_control {
1600         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1601         struct page *s_page;
1602         /* Destination page for migration which should be a first page
1603          * of zspage. */
1604         struct page *d_page;
1605          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1606           * in the subpage. */
1607         int index;
1608         /* how many of objects are migrated */
1609         int nr_migrated;
1610 };
1611
1612 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1613                                 struct zs_compact_control *cc)
1614 {
1615         unsigned long used_obj, free_obj;
1616         unsigned long handle;
1617         struct page *s_page = cc->s_page;
1618         struct page *d_page = cc->d_page;
1619         unsigned long index = cc->index;
1620         int nr_migrated = 0;
1621         int ret = 0;
1622
1623         while (1) {
1624                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1625                 if (!handle) {
1626                         s_page = get_next_page(s_page);
1627                         if (!s_page)
1628                                 break;
1629                         index = 0;
1630                         continue;
1631                 }
1632
1633                 /* Stop if there is no more space */
1634                 if (zspage_full(d_page)) {
1635                         unpin_tag(handle);
1636                         ret = -ENOMEM;
1637                         break;
1638                 }
1639
1640                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1641                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1642                 zs_object_copy(used_obj, free_obj, class);
1643                 index++;
1644                 record_obj(handle, free_obj);
1645                 unpin_tag(handle);
1646                 obj_free(pool, class, used_obj);
1647                 nr_migrated++;
1648         }
1649
1650         /* Remember last position in this iteration */
1651         cc->s_page = s_page;
1652         cc->index = index;
1653         cc->nr_migrated = nr_migrated;
1654
1655         return ret;
1656 }
1657
1658 static struct page *alloc_target_page(struct size_class *class)
1659 {
1660         int i;
1661         struct page *page;
1662
1663         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1664                 page = class->fullness_list[i];
1665                 if (page) {
1666                         remove_zspage(page, class, i);
1667                         break;
1668                 }
1669         }
1670
1671         return page;
1672 }
1673
1674 static void putback_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1675                                 struct page *first_page)
1676 {
1677         enum fullness_group fullness;
1678
1679         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1680
1681         fullness = get_fullness_group(first_page);
1682         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1683         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1684
1685         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1686                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1687                         class->size, class->pages_per_zspage));
1688                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1689                                 &pool->pages_allocated);
1690
1691                 free_zspage(first_page);
1692         }
1693 }
1694
1695 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1696 {
1697         struct page *page;
1698
1699         page = class->fullness_list[ZS_ALMOST_EMPTY];
1700         if (page)
1701                 remove_zspage(page, class, ZS_ALMOST_EMPTY);
1702
1703         return page;
1704 }
1705
1706 static unsigned long __zs_compact(struct zs_pool *pool,
1707                                 struct size_class *class)
1708 {
1709         int nr_to_migrate;
1710         struct zs_compact_control cc;
1711         struct page *src_page;
1712         struct page *dst_page = NULL;
1713         unsigned long nr_total_migrated = 0;
1714
1715         spin_lock(&class->lock);
1716         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1717
1718                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1719
1720                 /* The goal is to migrate all live objects in source page */
1721                 nr_to_migrate = src_page->inuse;
1722                 cc.index = 0;
1723                 cc.s_page = src_page;
1724
1725                 while ((dst_page = alloc_target_page(class))) {
1726                         cc.d_page = dst_page;
1727                         /*
1728                          * If there is no more space in dst_page, try to
1729                          * allocate another zspage.
1730                          */
1731                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1732                                 break;
1733
1734                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1735                         nr_total_migrated += cc.nr_migrated;
1736                         nr_to_migrate -= cc.nr_migrated;
1737                 }
1738
1739                 /* Stop if we couldn't find slot */
1740                 if (dst_page == NULL)
1741                         break;
1742
1743                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1744                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1745                 spin_unlock(&class->lock);
1746                 nr_total_migrated += cc.nr_migrated;
1747                 cond_resched();
1748                 spin_lock(&class->lock);
1749         }
1750
1751         if (src_page)
1752                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1753
1754         spin_unlock(&class->lock);
1755
1756         return nr_total_migrated;
1757 }
1758
1759 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1760 {
1761         int i;
1762         unsigned long nr_migrated = 0;
1763         struct size_class *class;
1764
1765         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1766                 class = pool->size_class[i];
1767                 if (!class)
1768                         continue;
1769                 if (class->index != i)
1770                         continue;
1771                 nr_migrated += __zs_compact(pool, class);
1772         }
1773
1774         return nr_migrated;
1775 }
1776 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1777
1778 /**
1779  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1780  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1781  *
1782  * This function must be called before anything when using
1783  * the zsmalloc allocator.
1784  *
1785  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1786  * otherwise NULL.
1787  */
1788 struct zs_pool *zs_create_pool(char *name, gfp_t flags)
1789 {
1790         int i;
1791         struct zs_pool *pool;
1792         struct size_class *prev_class = NULL;
1793
1794         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1795         if (!pool)
1796                 return NULL;
1797
1798         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1799                         GFP_KERNEL);
1800         if (!pool->size_class) {
1801                 kfree(pool);
1802                 return NULL;
1803         }
1804
1805         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1806         if (!pool->name)
1807                 goto err;
1808
1809         if (create_handle_cache(pool))
1810                 goto err;
1811
1812         /*
1813          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1814          * for merging should be larger or equal to current size.
1815          */
1816         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1817                 int size;
1818                 int pages_per_zspage;
1819                 struct size_class *class;
1820
1821                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1822                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1823                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1824                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1825
1826                 /*
1827                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1828                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1829                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1830                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1831                  * many different sizes whose size_class have same
1832                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1833                  * previous size_class if possible.
1834                  */
1835                 if (prev_class) {
1836                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1837                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1838                                 continue;
1839                         }
1840                 }
1841
1842                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1843                 if (!class)
1844                         goto err;
1845
1846                 class->size = size;
1847                 class->index = i;
1848                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1849                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1850                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1851                         class->huge = true;
1852                 spin_lock_init(&class->lock);
1853                 pool->size_class[i] = class;
1854
1855                 prev_class = class;
1856         }
1857
1858         pool->flags = flags;
1859
1860         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1861                 goto err;
1862
1863         return pool;
1864
1865 err:
1866         zs_destroy_pool(pool);
1867         return NULL;
1868 }
1869 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1870
1871 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1872 {
1873         int i;
1874
1875         zs_pool_stat_destroy(pool);
1876
1877         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1878                 int fg;
1879                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1880
1881                 if (!class)
1882                         continue;
1883
1884                 if (class->index != i)
1885                         continue;
1886
1887                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1888                         if (class->fullness_list[fg]) {
1889                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1890                                         class->size, fg);
1891                         }
1892                 }
1893                 kfree(class);
1894         }
1895
1896         destroy_handle_cache(pool);
1897         kfree(pool->size_class);
1898         kfree(pool->name);
1899         kfree(pool);
1900 }
1901 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1902
1903 static int __init zs_init(void)
1904 {
1905         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1906
1907         if (ret)
1908                 goto notifier_fail;
1909
1910         init_zs_size_classes();
1911
1912 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1913         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
1914 #endif
1915
1916         ret = zs_stat_init();
1917         if (ret) {
1918                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
1919                 goto stat_fail;
1920         }
1921         return 0;
1922
1923 stat_fail:
1924 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1925         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1926 #endif
1927 notifier_fail:
1928         zs_unregister_cpu_notifier();
1929
1930         return ret;
1931 }
1932
1933 static void __exit zs_exit(void)
1934 {
1935 #ifdef CONFIG_ZPOOL
1936         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
1937 #endif
1938         zs_unregister_cpu_notifier();
1939
1940         zs_stat_exit();
1941 }
1942
1943 module_init(zs_init);
1944 module_exit(zs_exit);
1945
1946 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1947 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");