mm/mempool.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  *  linux/mm/mempool.c
   4  *
   5  *  memory buffer pool support. Such pools are mostly used
   6  *  for guaranteed, deadlock-free memory allocations during
   7  *  extreme VM load.
   8  *
   9  *  started by Ingo Molnar, Copyright (C) 2001
  10  *  debugging by David Rientjes, Copyright (C) 2015
  11  */
  12
  13 #include <linux/mm.h>
  14 #include <linux/slab.h>
  15 #include <linux/highmem.h>
  16 #include <linux/kasan.h>
  17 #include <linux/kmemleak.h>
  18 #include <linux/export.h>
  19 #include <linux/mempool.h>
  20 #include <linux/writeback.h>
  21 #include "slab.h"
  22
  23 #if defined(CONFIG_DEBUG_SLAB) || defined(CONFIG_SLUB_DEBUG_ON)
  24 static void poison_error(mempool_t *pool, void *element, size_t size,
  25                          size_t byte)
  26 {
  27         const int nr = pool->curr_nr;
  28         const int start = max_t(int, byte - (BITS_PER_LONG / 8), 0);
  29         const int end = min_t(int, byte + (BITS_PER_LONG / 8), size);
  30         int i;
  31
  32         pr_err("BUG: mempool element poison mismatch\n");
  33         pr_err("Mempool %p size %zu\n", pool, size);
  34         pr_err(" nr=%d @ %p: %s0x", nr, element, start > 0 ? "... " : "");
  35         for (i = start; i < end; i++)
  36                 pr_cont("%x ", *(u8 *)(element + i));
  37         pr_cont("%s\n", end < size ? "..." : "");
  38         dump_stack();
  39 }
  40
  41 static void __check_element(mempool_t *pool, void *element, size_t size)
  42 {
  43         u8 *obj = element;
  44         size_t i;
  45
  46         for (i = 0; i < size; i++) {
  47                 u8 exp = (i < size - 1) ? POISON_FREE : POISON_END;
  48
  49                 if (obj[i] != exp) {
  50                         poison_error(pool, element, size, i);
  51                         return;
  52                 }
  53         }
  54         memset(obj, POISON_INUSE, size);
  55 }
  56
  57 static void check_element(mempool_t *pool, void *element)
  58 {
  59         /* Mempools backed by slab allocator */
  60         if (pool->free == mempool_kfree) {
  61                 __check_element(pool, element, (size_t)pool->pool_data);
  62         } else if (pool->free == mempool_free_slab) {
  63                 __check_element(pool, element, kmem_cache_size(pool->pool_data));
  64         } else if (pool->free == mempool_free_pages) {
  65                 /* Mempools backed by page allocator */
  66                 int order = (int)(long)pool->pool_data;
  67                 void *addr = kmap_atomic((struct page *)element);
  68
  69                 __check_element(pool, addr, 1UL << (PAGE_SHIFT + order));
  70                 kunmap_atomic(addr);
  71         }
  72 }
  73
  74 static void __poison_element(void *element, size_t size)
  75 {
  76         u8 *obj = element;
  77
  78         memset(obj, POISON_FREE, size - 1);
  79         obj[size - 1] = POISON_END;
  80 }
  81
  82 static void poison_element(mempool_t *pool, void *element)
  83 {
  84         /* Mempools backed by slab allocator */
  85         if (pool->alloc == mempool_kmalloc) {
  86                 __poison_element(element, (size_t)pool->pool_data);
  87         } else if (pool->alloc == mempool_alloc_slab) {
  88                 __poison_element(element, kmem_cache_size(pool->pool_data));
  89         } else if (pool->alloc == mempool_alloc_pages) {
  90                 /* Mempools backed by page allocator */
  91                 int order = (int)(long)pool->pool_data;
  92                 void *addr = kmap_atomic((struct page *)element);
  93
  94                 __poison_element(addr, 1UL << (PAGE_SHIFT + order));
  95                 kunmap_atomic(addr);
  96         }
  97 }
  98 #else /* CONFIG_DEBUG_SLAB || CONFIG_SLUB_DEBUG_ON */
  99 static inline void check_element(mempool_t *pool, void *element)
 100 {
 101 }
 102 static inline void poison_element(mempool_t *pool, void *element)
 103 {
 104 }
 105 #endif /* CONFIG_DEBUG_SLAB || CONFIG_SLUB_DEBUG_ON */
 106
 107 static __always_inline void kasan_poison_element(mempool_t *pool, void *element)
 108 {
 109         if (pool->alloc == mempool_alloc_slab || pool->alloc == mempool_kmalloc)
 110                 kasan_slab_free_mempool(element);
 111         else if (pool->alloc == mempool_alloc_pages)
 112                 kasan_poison_pages(element, (unsigned long)pool->pool_data,
 113                                    false);
 114 }
 115
 116 static void kasan_unpoison_element(mempool_t *pool, void *element)
 117 {
 118         if (pool->alloc == mempool_kmalloc)
 119                 kasan_unpoison_range(element, (size_t)pool->pool_data);
 120         else if (pool->alloc == mempool_alloc_slab)
 121                 kasan_unpoison_range(element, kmem_cache_size(pool->pool_data));
 122         else if (pool->alloc == mempool_alloc_pages)
 123                 kasan_unpoison_pages(element, (unsigned long)pool->pool_data,
 124                                      false);
 125 }
 126
 127 static __always_inline void add_element(mempool_t *pool, void *element)
 128 {
 129         BUG_ON(pool->curr_nr >= pool->min_nr);
 130         poison_element(pool, element);
 131         kasan_poison_element(pool, element);
 132         pool->elements[pool->curr_nr++] = element;
 133 }
 134
 135 static void *remove_element(mempool_t *pool)
 136 {
 137         void *element = pool->elements[--pool->curr_nr];
 138
 139         BUG_ON(pool->curr_nr < 0);
 140         kasan_unpoison_element(pool, element);
 141         check_element(pool, element);
 142         return element;
 143 }
 144
 145 /**
 146  * mempool_exit - exit a mempool initialized with mempool_init()
 147  * @pool:      pointer to the memory pool which was initialized with
 148  *             mempool_init().
 149  *
 150  * Free all reserved elements in @pool and @pool itself.  This function
 151  * only sleeps if the free_fn() function sleeps.
 152  *
 153  * May be called on a zeroed but uninitialized mempool (i.e. allocated with
 154  * kzalloc()).
 155  */
 156 void mempool_exit(mempool_t *pool)
 157 {
 158         while (pool->curr_nr) {
 159                 void *element = remove_element(pool);
 160                 pool->free(element, pool->pool_data);
 161         }
 162         kfree(pool->elements);
 163         pool->elements = NULL;
 164 }
 165 EXPORT_SYMBOL(mempool_exit);
 166
 167 /**
 168  * mempool_destroy - deallocate a memory pool
 169  * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via
 170  *             mempool_create().
 171  *
 172  * Free all reserved elements in @pool and @pool itself.  This function
 173  * only sleeps if the free_fn() function sleeps.
 174  */
 175 void mempool_destroy(mempool_t *pool)
 176 {
 177         if (unlikely(!pool))
 178                 return;
 179
 180         mempool_exit(pool);
 181         kfree(pool);
 182 }
 183 EXPORT_SYMBOL(mempool_destroy);
 184
 185 int mempool_init_node(mempool_t *pool, int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
 186                       mempool_free_t *free_fn, void *pool_data,
 187                       gfp_t gfp_mask, int node_id)
 188 {
 189         spin_lock_init(&pool->lock);
 190         pool->min_nr    = min_nr;
 191         pool->pool_data = pool_data;
 192         pool->alloc     = alloc_fn;
 193         pool->free      = free_fn;
 194         init_waitqueue_head(&pool->wait);
 195
 196         pool->elements = kmalloc_array_node(min_nr, sizeof(void *),
 197                                             gfp_mask, node_id);
 198         if (!pool->elements)
 199                 return -ENOMEM;
 200
 201         /*
 202          * First pre-allocate the guaranteed number of buffers.
 203          */
 204         while (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
 205                 void *element;
 206
 207                 element = pool->alloc(gfp_mask, pool->pool_data);
 208                 if (unlikely(!element)) {
 209                         mempool_exit(pool);
 210                         return -ENOMEM;
 211                 }
 212                 add_element(pool, element);
 213         }
 214
 215         return 0;
 216 }
 217 EXPORT_SYMBOL(mempool_init_node);
 218
 219 /**
 220  * mempool_init - initialize a memory pool
 221  * @pool:      pointer to the memory pool that should be initialized
 222  * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be
 223  *             allocated for this pool.
 224  * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function.
 225  * @free_fn:   user-defined element-freeing function.
 226  * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions.
 227  *
 228  * Like mempool_create(), but initializes the pool in (i.e. embedded in another
 229  * structure).
 230  *
 231  * Return: %0 on success, negative error code otherwise.
 232  */
 233 int mempool_init(mempool_t *pool, int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
 234                  mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)
 235 {
 236         return mempool_init_node(pool, min_nr, alloc_fn, free_fn,
 237                                  pool_data, GFP_KERNEL, NUMA_NO_NODE);
 238
 239 }
 240 EXPORT_SYMBOL(mempool_init);
 241
 242 /**
 243  * mempool_create - create a memory pool
 244  * @min_nr:    the minimum number of elements guaranteed to be
 245  *             allocated for this pool.
 246  * @alloc_fn:  user-defined element-allocation function.
 247  * @free_fn:   user-defined element-freeing function.
 248  * @pool_data: optional private data available to the user-defined functions.
 249  *
 250  * this function creates and allocates a guaranteed size, preallocated
 251  * memory pool. The pool can be used from the mempool_alloc() and mempool_free()
 252  * functions. This function might sleep. Both the alloc_fn() and the free_fn()
 253  * functions might sleep - as long as the mempool_alloc() function is not called
 254  * from IRQ contexts.
 255  *
 256  * Return: pointer to the created memory pool object or %NULL on error.
 257  */
 258 mempool_t *mempool_create(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
 259                                 mempool_free_t *free_fn, void *pool_data)
 260 {
 261         return mempool_create_node(min_nr, alloc_fn, free_fn, pool_data,
 262                                    GFP_KERNEL, NUMA_NO_NODE);
 263 }
 264 EXPORT_SYMBOL(mempool_create);
 265
 266 mempool_t *mempool_create_node(int min_nr, mempool_alloc_t *alloc_fn,
 267                                mempool_free_t *free_fn, void *pool_data,
 268                                gfp_t gfp_mask, int node_id)
 269 {
 270         mempool_t *pool;
 271
 272         pool = kzalloc_node(sizeof(*pool), gfp_mask, node_id);
 273         if (!pool)
 274                 return NULL;
 275
 276         if (mempool_init_node(pool, min_nr, alloc_fn, free_fn, pool_data,
 277                               gfp_mask, node_id)) {
 278                 kfree(pool);
 279                 return NULL;
 280         }
 281
 282         return pool;
 283 }
 284 EXPORT_SYMBOL(mempool_create_node);
 285
 286 /**
 287  * mempool_resize - resize an existing memory pool
 288  * @pool:       pointer to the memory pool which was allocated via
 289  *              mempool_create().
 290  * @new_min_nr: the new minimum number of elements guaranteed to be
 291  *              allocated for this pool.
 292  *
 293  * This function shrinks/grows the pool. In the case of growing,
 294  * it cannot be guaranteed that the pool will be grown to the new
 295  * size immediately, but new mempool_free() calls will refill it.
 296  * This function may sleep.
 297  *
 298  * Note, the caller must guarantee that no mempool_destroy is called
 299  * while this function is running. mempool_alloc() & mempool_free()
 300  * might be called (eg. from IRQ contexts) while this function executes.
 301  *
 302  * Return: %0 on success, negative error code otherwise.
 303  */
 304 int mempool_resize(mempool_t *pool, int new_min_nr)
 305 {
 306         void *element;
 307         void **new_elements;
 308         unsigned long flags;
 309
 310         BUG_ON(new_min_nr <= 0);
 311         might_sleep();
 312
 313         spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 314         if (new_min_nr <= pool->min_nr) {
 315                 while (new_min_nr < pool->curr_nr) {
 316                         element = remove_element(pool);
 317                         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 318                         pool->free(element, pool->pool_data);
 319                         spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 320                 }
 321                 pool->min_nr = new_min_nr;
 322                 goto out_unlock;
 323         }
 324         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 325
 326         /* Grow the pool */
 327         new_elements = kmalloc_array(new_min_nr, sizeof(*new_elements),
 328                                      GFP_KERNEL);
 329         if (!new_elements)
 330                 return -ENOMEM;
 331
 332         spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 333         if (unlikely(new_min_nr <= pool->min_nr)) {
 334                 /* Raced, other resize will do our work */
 335                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 336                 kfree(new_elements);
 337                 goto out;
 338         }
 339         memcpy(new_elements, pool->elements,
 340                         pool->curr_nr * sizeof(*new_elements));
 341         kfree(pool->elements);
 342         pool->elements = new_elements;
 343         pool->min_nr = new_min_nr;
 344
 345         while (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
 346                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 347                 element = pool->alloc(GFP_KERNEL, pool->pool_data);
 348                 if (!element)
 349                         goto out;
 350                 spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 351                 if (pool->curr_nr < pool->min_nr) {
 352                         add_element(pool, element);
 353                 } else {
 354                         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 355                         pool->free(element, pool->pool_data);   /* Raced */
 356                         goto out;
 357                 }
 358         }
 359 out_unlock:
 360         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 361 out:
 362         return 0;
 363 }
 364 EXPORT_SYMBOL(mempool_resize);
 365
 366 /**
 367  * mempool_alloc - allocate an element from a specific memory pool
 368  * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via
 369  *             mempool_create().
 370  * @gfp_mask:  the usual allocation bitmask.
 371  *
 372  * this function only sleeps if the alloc_fn() function sleeps or
 373  * returns NULL. Note that due to preallocation, this function
 374  * *never* fails when called from process contexts. (it might
 375  * fail if called from an IRQ context.)
 376  * Note: using __GFP_ZERO is not supported.
 377  *
 378  * Return: pointer to the allocated element or %NULL on error.
 379  */
 380 void *mempool_alloc(mempool_t *pool, gfp_t gfp_mask)
 381 {
 382         void *element;
 383         unsigned long flags;
 384         wait_queue_entry_t wait;
 385         gfp_t gfp_temp;
 386
 387         VM_WARN_ON_ONCE(gfp_mask & __GFP_ZERO);
 388         might_alloc(gfp_mask);
 389
 390         gfp_mask |= __GFP_NOMEMALLOC;   /* don't allocate emergency reserves */
 391         gfp_mask |= __GFP_NORETRY;      /* don't loop in __alloc_pages */
 392         gfp_mask |= __GFP_NOWARN;       /* failures are OK */
 393
 394         gfp_temp = gfp_mask & ~(__GFP_DIRECT_RECLAIM|__GFP_IO);
 395
 396 repeat_alloc:
 397
 398         element = pool->alloc(gfp_temp, pool->pool_data);
 399         if (likely(element != NULL))
 400                 return element;
 401
 402         spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 403         if (likely(pool->curr_nr)) {
 404                 element = remove_element(pool);
 405                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 406                 /* paired with rmb in mempool_free(), read comment there */
 407                 smp_wmb();
 408                 /*
 409                  * Update the allocation stack trace as this is more useful
 410                  * for debugging.
 411                  */
 412                 kmemleak_update_trace(element);
 413                 return element;
 414         }
 415
 416         /*
 417          * We use gfp mask w/o direct reclaim or IO for the first round.  If
 418          * alloc failed with that and @pool was empty, retry immediately.
 419          */
 420         if (gfp_temp != gfp_mask) {
 421                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 422                 gfp_temp = gfp_mask;
 423                 goto repeat_alloc;
 424         }
 425
 426         /* We must not sleep if !__GFP_DIRECT_RECLAIM */
 427         if (!(gfp_mask & __GFP_DIRECT_RECLAIM)) {
 428                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 429                 return NULL;
 430         }
 431
 432         /* Let's wait for someone else to return an element to @pool */
 433         init_wait(&wait);
 434         prepare_to_wait(&pool->wait, &wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
 435
 436         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 437
 438         /*
 439          * FIXME: this should be io_schedule().  The timeout is there as a
 440          * workaround for some DM problems in 2.6.18.
 441          */
 442         io_schedule_timeout(5*HZ);
 443
 444         finish_wait(&pool->wait, &wait);
 445         goto repeat_alloc;
 446 }
 447 EXPORT_SYMBOL(mempool_alloc);
 448
 449 /**
 450  * mempool_free - return an element to the pool.
 451  * @element:   pool element pointer.
 452  * @pool:      pointer to the memory pool which was allocated via
 453  *             mempool_create().
 454  *
 455  * this function only sleeps if the free_fn() function sleeps.
 456  */
 457 void mempool_free(void *element, mempool_t *pool)
 458 {
 459         unsigned long flags;
 460
 461         if (unlikely(element == NULL))
 462                 return;
 463
 464         /*
 465          * Paired with the wmb in mempool_alloc().  The preceding read is
 466          * for @element and the following @pool->curr_nr.  This ensures
 467          * that the visible value of @pool->curr_nr is from after the
 468          * allocation of @element.  This is necessary for fringe cases
 469          * where @element was passed to this task without going through
 470          * barriers.
 471          *
 472          * For example, assume @p is %NULL at the beginning and one task
 473          * performs "p = mempool_alloc(...);" while another task is doing
 474          * "while (!p) cpu_relax(); mempool_free(p, ...);".  This function
 475          * may end up using curr_nr value which is from before allocation
 476          * of @p without the following rmb.
 477          */
 478         smp_rmb();
 479
 480         /*
 481          * For correctness, we need a test which is guaranteed to trigger
 482          * if curr_nr + #allocated == min_nr.  Testing curr_nr < min_nr
 483          * without locking achieves that and refilling as soon as possible
 484          * is desirable.
 485          *
 486          * Because curr_nr visible here is always a value after the
 487          * allocation of @element, any task which decremented curr_nr below
 488          * min_nr is guaranteed to see curr_nr < min_nr unless curr_nr gets
 489          * incremented to min_nr afterwards.  If curr_nr gets incremented
 490          * to min_nr after the allocation of @element, the elements
 491          * allocated after that are subject to the same guarantee.
 492          *
 493          * Waiters happen iff curr_nr is 0 and the above guarantee also
 494          * ensures that there will be frees which return elements to the
 495          * pool waking up the waiters.
 496          */
 497         if (unlikely(READ_ONCE(pool->curr_nr) < pool->min_nr)) {
 498                 spin_lock_irqsave(&pool->lock, flags);
 499                 if (likely(pool->curr_nr < pool->min_nr)) {
 500                         add_element(pool, element);
 501                         spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 502                         wake_up(&pool->wait);
 503                         return;
 504                 }
 505                 spin_unlock_irqrestore(&pool->lock, flags);
 506         }
 507         pool->free(element, pool->pool_data);
 508 }
 509 EXPORT_SYMBOL(mempool_free);
 510
 511 /*
 512  * A commonly used alloc and free fn.
 513  */
 514 void *mempool_alloc_slab(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)
 515 {
 516         struct kmem_cache *mem = pool_data;
 517         VM_BUG_ON(mem->ctor);
 518         return kmem_cache_alloc(mem, gfp_mask);
 519 }
 520 EXPORT_SYMBOL(mempool_alloc_slab);
 521
 522 void mempool_free_slab(void *element, void *pool_data)
 523 {
 524         struct kmem_cache *mem = pool_data;
 525         kmem_cache_free(mem, element);
 526 }
 527 EXPORT_SYMBOL(mempool_free_slab);
 528
 529 /*
 530  * A commonly used alloc and free fn that kmalloc/kfrees the amount of memory
 531  * specified by pool_data
 532  */
 533 void *mempool_kmalloc(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)
 534 {
 535         size_t size = (size_t)pool_data;
 536         return kmalloc(size, gfp_mask);
 537 }
 538 EXPORT_SYMBOL(mempool_kmalloc);
 539
 540 void mempool_kfree(void *element, void *pool_data)
 541 {
 542         kfree(element);
 543 }
 544 EXPORT_SYMBOL(mempool_kfree);
 545
 546 /*
 547  * A simple mempool-backed page allocator that allocates pages
 548  * of the order specified by pool_data.
 549  */
 550 void *mempool_alloc_pages(gfp_t gfp_mask, void *pool_data)
 551 {
 552         int order = (int)(long)pool_data;
 553         return alloc_pages(gfp_mask, order);
 554 }
 555 EXPORT_SYMBOL(mempool_alloc_pages);
 556
 557 void mempool_free_pages(void *element, void *pool_data)
 558 {
 559         int order = (int)(long)pool_data;
 560         __free_pages(element, order);
 561 }
 562 EXPORT_SYMBOL(mempool_free_pages);