mm/cma.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
   2 /*
   3  * Contiguous Memory Allocator
   4  *
   5  * Copyright (c) 2010-2011 by Samsung Electronics.
   6  * Copyright IBM Corporation, 2013
   7  * Copyright LG Electronics Inc., 2014
   8  * Written by:
   9  *      Marek Szyprowski <m.szyprowski@samsung.com>
  10  *      Michal Nazarewicz <mina86@mina86.com>
  11  *      Aneesh Kumar K.V <aneesh.kumar@linux.vnet.ibm.com>
  12  *      Joonsoo Kim <iamjoonsoo.kim@lge.com>
  13  */
  14
  15 #define pr_fmt(fmt) "cma: " fmt
  16
  17 #ifdef CONFIG_CMA_DEBUG
  18 #ifndef DEBUG
  19 #  define DEBUG
  20 #endif
  21 #endif
  22 #define CREATE_TRACE_POINTS
  23
  24 #include <linux/memblock.h>
  25 #include <linux/err.h>
  26 #include <linux/mm.h>
  27 #include <linux/sizes.h>
  28 #include <linux/slab.h>
  29 #include <linux/log2.h>
  30 #include <linux/cma.h>
  31 #include <linux/highmem.h>
  32 #include <linux/io.h>
  33 #include <linux/kmemleak.h>
  34 #include <trace/events/cma.h>
  35
  36 #include "internal.h"
  37 #include "cma.h"
  38
  39 struct cma cma_areas[MAX_CMA_AREAS];
  40 unsigned cma_area_count;
  41 static DEFINE_MUTEX(cma_mutex);
  42
  43 phys_addr_t cma_get_base(const struct cma *cma)
  44 {
  45         return PFN_PHYS(cma->base_pfn);
  46 }
  47
  48 unsigned long cma_get_size(const struct cma *cma)
  49 {
  50         return cma->count << PAGE_SHIFT;
  51 }
  52
  53 const char *cma_get_name(const struct cma *cma)
  54 {
  55         return cma->name;
  56 }
  57
  58 static unsigned long cma_bitmap_aligned_mask(const struct cma *cma,
  59                                              unsigned int align_order)
  60 {
  61         if (align_order <= cma->order_per_bit)
  62                 return 0;
  63         return (1UL << (align_order - cma->order_per_bit)) - 1;
  64 }
  65
  66 /*
  67  * Find the offset of the base PFN from the specified align_order.
  68  * The value returned is represented in order_per_bits.
  69  */
  70 static unsigned long cma_bitmap_aligned_offset(const struct cma *cma,
  71                                                unsigned int align_order)
  72 {
  73         return (cma->base_pfn & ((1UL << align_order) - 1))
  74                 >> cma->order_per_bit;
  75 }
  76
  77 static unsigned long cma_bitmap_pages_to_bits(const struct cma *cma,
  78                                               unsigned long pages)
  79 {
  80         return ALIGN(pages, 1UL << cma->order_per_bit) >> cma->order_per_bit;
  81 }
  82
  83 static void cma_clear_bitmap(struct cma *cma, unsigned long pfn,
  84                              unsigned long count)
  85 {
  86         unsigned long bitmap_no, bitmap_count;
  87         unsigned long flags;
  88
  89         bitmap_no = (pfn - cma->base_pfn) >> cma->order_per_bit;
  90         bitmap_count = cma_bitmap_pages_to_bits(cma, count);
  91
  92         spin_lock_irqsave(&cma->lock, flags);
  93         bitmap_clear(cma->bitmap, bitmap_no, bitmap_count);
  94         spin_unlock_irqrestore(&cma->lock, flags);
  95 }
  96
  97 static void __init cma_activate_area(struct cma *cma)
  98 {
  99         unsigned long base_pfn = cma->base_pfn, pfn;
 100         struct zone *zone;
 101
 102         cma->bitmap = bitmap_zalloc(cma_bitmap_maxno(cma), GFP_KERNEL);
 103         if (!cma->bitmap)
 104                 goto out_error;
 105
 106         /*
 107          * alloc_contig_range() requires the pfn range specified to be in the
 108          * same zone. Simplify by forcing the entire CMA resv range to be in the
 109          * same zone.
 110          */
 111         WARN_ON_ONCE(!pfn_valid(base_pfn));
 112         zone = page_zone(pfn_to_page(base_pfn));
 113         for (pfn = base_pfn + 1; pfn < base_pfn + cma->count; pfn++) {
 114                 WARN_ON_ONCE(!pfn_valid(pfn));
 115                 if (page_zone(pfn_to_page(pfn)) != zone)
 116                         goto not_in_zone;
 117         }
 118
 119         for (pfn = base_pfn; pfn < base_pfn + cma->count;
 120              pfn += pageblock_nr_pages)
 121                 init_cma_reserved_pageblock(pfn_to_page(pfn));
 122
 123         spin_lock_init(&cma->lock);
 124
 125 #ifdef CONFIG_CMA_DEBUGFS
 126         INIT_HLIST_HEAD(&cma->mem_head);
 127         spin_lock_init(&cma->mem_head_lock);
 128 #endif
 129
 130         return;
 131
 132 not_in_zone:
 133         bitmap_free(cma->bitmap);
 134 out_error:
 135         /* Expose all pages to the buddy, they are useless for CMA. */
 136         if (!cma->reserve_pages_on_error) {
 137                 for (pfn = base_pfn; pfn < base_pfn + cma->count; pfn++)
 138                         free_reserved_page(pfn_to_page(pfn));
 139         }
 140         totalcma_pages -= cma->count;
 141         cma->count = 0;
 142         pr_err("CMA area %s could not be activated\n", cma->name);
 143         return;
 144 }
 145
 146 static int __init cma_init_reserved_areas(void)
 147 {
 148         int i;
 149
 150         for (i = 0; i < cma_area_count; i++)
 151                 cma_activate_area(&cma_areas[i]);
 152
 153         return 0;
 154 }
 155 core_initcall(cma_init_reserved_areas);
 156
 157 void __init cma_reserve_pages_on_error(struct cma *cma)
 158 {
 159         cma->reserve_pages_on_error = true;
 160 }
 161
 162 /**
 163  * cma_init_reserved_mem() - create custom contiguous area from reserved memory
 164  * @base: Base address of the reserved area
 165  * @size: Size of the reserved area (in bytes),
 166  * @order_per_bit: Order of pages represented by one bit on bitmap.
 167  * @name: The name of the area. If this parameter is NULL, the name of
 168  *        the area will be set to "cmaN", where N is a running counter of
 169  *        used areas.
 170  * @res_cma: Pointer to store the created cma region.
 171  *
 172  * This function creates custom contiguous area from already reserved memory.
 173  */
 174 int __init cma_init_reserved_mem(phys_addr_t base, phys_addr_t size,
 175                                  unsigned int order_per_bit,
 176                                  const char *name,
 177                                  struct cma **res_cma)
 178 {
 179         struct cma *cma;
 180
 181         /* Sanity checks */
 182         if (cma_area_count == ARRAY_SIZE(cma_areas)) {
 183                 pr_err("Not enough slots for CMA reserved regions!\n");
 184                 return -ENOSPC;
 185         }
 186
 187         if (!size || !memblock_is_region_reserved(base, size))
 188                 return -EINVAL;
 189
 190         /* alignment should be aligned with order_per_bit */
 191         if (!IS_ALIGNED(CMA_MIN_ALIGNMENT_PAGES, 1 << order_per_bit))
 192                 return -EINVAL;
 193
 194         /* ensure minimal alignment required by mm core */
 195         if (!IS_ALIGNED(base | size, CMA_MIN_ALIGNMENT_BYTES))
 196                 return -EINVAL;
 197
 198         /*
 199          * Each reserved area must be initialised later, when more kernel
 200          * subsystems (like slab allocator) are available.
 201          */
 202         cma = &cma_areas[cma_area_count];
 203
 204         if (name)
 205                 snprintf(cma->name, CMA_MAX_NAME, name);
 206         else
 207                 snprintf(cma->name, CMA_MAX_NAME,  "cma%d\n", cma_area_count);
 208
 209         cma->base_pfn = PFN_DOWN(base);
 210         cma->count = size >> PAGE_SHIFT;
 211         cma->order_per_bit = order_per_bit;
 212         *res_cma = cma;
 213         cma_area_count++;
 214         totalcma_pages += (size / PAGE_SIZE);
 215
 216         return 0;
 217 }
 218
 219 /**
 220  * cma_declare_contiguous_nid() - reserve custom contiguous area
 221  * @base: Base address of the reserved area optional, use 0 for any
 222  * @size: Size of the reserved area (in bytes),
 223  * @limit: End address of the reserved memory (optional, 0 for any).
 224  * @alignment: Alignment for the CMA area, should be power of 2 or zero
 225  * @order_per_bit: Order of pages represented by one bit on bitmap.
 226  * @fixed: hint about where to place the reserved area
 227  * @name: The name of the area. See function cma_init_reserved_mem()
 228  * @res_cma: Pointer to store the created cma region.
 229  * @nid: nid of the free area to find, %NUMA_NO_NODE for any node
 230  *
 231  * This function reserves memory from early allocator. It should be
 232  * called by arch specific code once the early allocator (memblock or bootmem)
 233  * has been activated and all other subsystems have already allocated/reserved
 234  * memory. This function allows to create custom reserved areas.
 235  *
 236  * If @fixed is true, reserve contiguous area at exactly @base.  If false,
 237  * reserve in range from @base to @limit.
 238  */
 239 int __init cma_declare_contiguous_nid(phys_addr_t base,
 240                         phys_addr_t size, phys_addr_t limit,
 241                         phys_addr_t alignment, unsigned int order_per_bit,
 242                         bool fixed, const char *name, struct cma **res_cma,
 243                         int nid)
 244 {
 245         phys_addr_t memblock_end = memblock_end_of_DRAM();
 246         phys_addr_t highmem_start;
 247         int ret;
 248
 249         /*
 250          * We can't use __pa(high_memory) directly, since high_memory
 251          * isn't a valid direct map VA, and DEBUG_VIRTUAL will (validly)
 252          * complain. Find the boundary by adding one to the last valid
 253          * address.
 254          */
 255         highmem_start = __pa(high_memory - 1) + 1;
 256         pr_debug("%s(size %pa, base %pa, limit %pa alignment %pa)\n",
 257                 __func__, &size, &base, &limit, &alignment);
 258
 259         if (cma_area_count == ARRAY_SIZE(cma_areas)) {
 260                 pr_err("Not enough slots for CMA reserved regions!\n");
 261                 return -ENOSPC;
 262         }
 263
 264         if (!size)
 265                 return -EINVAL;
 266
 267         if (alignment && !is_power_of_2(alignment))
 268                 return -EINVAL;
 269
 270         if (!IS_ENABLED(CONFIG_NUMA))
 271                 nid = NUMA_NO_NODE;
 272
 273         /* Sanitise input arguments. */
 274         alignment = max_t(phys_addr_t, alignment, CMA_MIN_ALIGNMENT_BYTES);
 275         if (fixed && base & (alignment - 1)) {
 276                 ret = -EINVAL;
 277                 pr_err("Region at %pa must be aligned to %pa bytes\n",
 278                         &base, &alignment);
 279                 goto err;
 280         }
 281         base = ALIGN(base, alignment);
 282         size = ALIGN(size, alignment);
 283         limit &= ~(alignment - 1);
 284
 285         if (!base)
 286                 fixed = false;
 287
 288         /* size should be aligned with order_per_bit */
 289         if (!IS_ALIGNED(size >> PAGE_SHIFT, 1 << order_per_bit))
 290                 return -EINVAL;
 291
 292         /*
 293          * If allocating at a fixed base the request region must not cross the
 294          * low/high memory boundary.
 295          */
 296         if (fixed && base < highmem_start && base + size > highmem_start) {
 297                 ret = -EINVAL;
 298                 pr_err("Region at %pa defined on low/high memory boundary (%pa)\n",
 299                         &base, &highmem_start);
 300                 goto err;
 301         }
 302
 303         /*
 304          * If the limit is unspecified or above the memblock end, its effective
 305          * value will be the memblock end. Set it explicitly to simplify further
 306          * checks.
 307          */
 308         if (limit == 0 || limit > memblock_end)
 309                 limit = memblock_end;
 310
 311         if (base + size > limit) {
 312                 ret = -EINVAL;
 313                 pr_err("Size (%pa) of region at %pa exceeds limit (%pa)\n",
 314                         &size, &base, &limit);
 315                 goto err;
 316         }
 317
 318         /* Reserve memory */
 319         if (fixed) {
 320                 if (memblock_is_region_reserved(base, size) ||
 321                     memblock_reserve(base, size) < 0) {
 322                         ret = -EBUSY;
 323                         goto err;
 324                 }
 325         } else {
 326                 phys_addr_t addr = 0;
 327
 328                 /*
 329                  * If there is enough memory, try a bottom-up allocation first.
 330                  * It will place the new cma area close to the start of the node
 331                  * and guarantee that the compaction is moving pages out of the
 332                  * cma area and not into it.
 333                  * Avoid using first 4GB to not interfere with constrained zones
 334                  * like DMA/DMA32.
 335                  */
 336 #ifdef CONFIG_PHYS_ADDR_T_64BIT
 337                 if (!memblock_bottom_up() && memblock_end >= SZ_4G + size) {
 338                         memblock_set_bottom_up(true);
 339                         addr = memblock_alloc_range_nid(size, alignment, SZ_4G,
 340                                                         limit, nid, true);
 341                         memblock_set_bottom_up(false);
 342                 }
 343 #endif
 344
 345                 /*
 346                  * All pages in the reserved area must come from the same zone.
 347                  * If the requested region crosses the low/high memory boundary,
 348                  * try allocating from high memory first and fall back to low
 349                  * memory in case of failure.
 350                  */
 351                 if (!addr && base < highmem_start && limit > highmem_start) {
 352                         addr = memblock_alloc_range_nid(size, alignment,
 353                                         highmem_start, limit, nid, true);
 354                         limit = highmem_start;
 355                 }
 356
 357                 if (!addr) {
 358                         addr = memblock_alloc_range_nid(size, alignment, base,
 359                                         limit, nid, true);
 360                         if (!addr) {
 361                                 ret = -ENOMEM;
 362                                 goto err;
 363                         }
 364                 }
 365
 366                 /*
 367                  * kmemleak scans/reads tracked objects for pointers to other
 368                  * objects but this address isn't mapped and accessible
 369                  */
 370                 kmemleak_ignore_phys(addr);
 371                 base = addr;
 372         }
 373
 374         ret = cma_init_reserved_mem(base, size, order_per_bit, name, res_cma);
 375         if (ret)
 376                 goto free_mem;
 377
 378         pr_info("Reserved %ld MiB at %pa on node %d\n", (unsigned long)size / SZ_1M,
 379                 &base, nid);
 380         return 0;
 381
 382 free_mem:
 383         memblock_phys_free(base, size);
 384 err:
 385         pr_err("Failed to reserve %ld MiB on node %d\n", (unsigned long)size / SZ_1M,
 386                nid);
 387         return ret;
 388 }
 389
 390 #ifdef CONFIG_CMA_DEBUG
 391 static void cma_debug_show_areas(struct cma *cma)
 392 {
 393         unsigned long next_zero_bit, next_set_bit, nr_zero;
 394         unsigned long start = 0;
 395         unsigned long nr_part, nr_total = 0;
 396         unsigned long nbits = cma_bitmap_maxno(cma);
 397
 398         spin_lock_irq(&cma->lock);
 399         pr_info("number of available pages: ");
 400         for (;;) {
 401                 next_zero_bit = find_next_zero_bit(cma->bitmap, nbits, start);
 402                 if (next_zero_bit >= nbits)
 403                         break;
 404                 next_set_bit = find_next_bit(cma->bitmap, nbits, next_zero_bit);
 405                 nr_zero = next_set_bit - next_zero_bit;
 406                 nr_part = nr_zero << cma->order_per_bit;
 407                 pr_cont("%s%lu@%lu", nr_total ? "+" : "", nr_part,
 408                         next_zero_bit);
 409                 nr_total += nr_part;
 410                 start = next_zero_bit + nr_zero;
 411         }
 412         pr_cont("=> %lu free of %lu total pages\n", nr_total, cma->count);
 413         spin_unlock_irq(&cma->lock);
 414 }
 415 #else
 416 static inline void cma_debug_show_areas(struct cma *cma) { }
 417 #endif
 418
 419 /**
 420  * cma_alloc() - allocate pages from contiguous area
 421  * @cma:   Contiguous memory region for which the allocation is performed.
 422  * @count: Requested number of pages.
 423  * @align: Requested alignment of pages (in PAGE_SIZE order).
 424  * @no_warn: Avoid printing message about failed allocation
 425  *
 426  * This function allocates part of contiguous memory on specific
 427  * contiguous memory area.
 428  */
 429 struct page *cma_alloc(struct cma *cma, unsigned long count,
 430                        unsigned int align, bool no_warn)
 431 {
 432         unsigned long mask, offset;
 433         unsigned long pfn = -1;
 434         unsigned long start = 0;
 435         unsigned long bitmap_maxno, bitmap_no, bitmap_count;
 436         unsigned long i;
 437         struct page *page = NULL;
 438         int ret = -ENOMEM;
 439
 440         if (!cma || !cma->count || !cma->bitmap)
 441                 goto out;
 442
 443         pr_debug("%s(cma %p, name: %s, count %lu, align %d)\n", __func__,
 444                 (void *)cma, cma->name, count, align);
 445
 446         if (!count)
 447                 goto out;
 448
 449         trace_cma_alloc_start(cma->name, count, align);
 450
 451         mask = cma_bitmap_aligned_mask(cma, align);
 452         offset = cma_bitmap_aligned_offset(cma, align);
 453         bitmap_maxno = cma_bitmap_maxno(cma);
 454         bitmap_count = cma_bitmap_pages_to_bits(cma, count);
 455
 456         if (bitmap_count > bitmap_maxno)
 457                 goto out;
 458
 459         for (;;) {
 460                 spin_lock_irq(&cma->lock);
 461                 bitmap_no = bitmap_find_next_zero_area_off(cma->bitmap,
 462                                 bitmap_maxno, start, bitmap_count, mask,
 463                                 offset);
 464                 if (bitmap_no >= bitmap_maxno) {
 465                         spin_unlock_irq(&cma->lock);
 466                         break;
 467                 }
 468                 bitmap_set(cma->bitmap, bitmap_no, bitmap_count);
 469                 /*
 470                  * It's safe to drop the lock here. We've marked this region for
 471                  * our exclusive use. If the migration fails we will take the
 472                  * lock again and unmark it.
 473                  */
 474                 spin_unlock_irq(&cma->lock);
 475
 476                 pfn = cma->base_pfn + (bitmap_no << cma->order_per_bit);
 477                 mutex_lock(&cma_mutex);
 478                 ret = alloc_contig_range(pfn, pfn + count, MIGRATE_CMA,
 479                                      GFP_KERNEL | (no_warn ? __GFP_NOWARN : 0));
 480                 mutex_unlock(&cma_mutex);
 481                 if (ret == 0) {
 482                         page = pfn_to_page(pfn);
 483                         break;
 484                 }
 485
 486                 cma_clear_bitmap(cma, pfn, count);
 487                 if (ret != -EBUSY)
 488                         break;
 489
 490                 pr_debug("%s(): memory range at pfn 0x%lx %p is busy, retrying\n",
 491                          __func__, pfn, pfn_to_page(pfn));
 492
 493                 trace_cma_alloc_busy_retry(cma->name, pfn, pfn_to_page(pfn),
 494                                            count, align);
 495                 /* try again with a bit different memory target */
 496                 start = bitmap_no + mask + 1;
 497         }
 498
 499         trace_cma_alloc_finish(cma->name, pfn, page, count, align, ret);
 500
 501         /*
 502          * CMA can allocate multiple page blocks, which results in different
 503          * blocks being marked with different tags. Reset the tags to ignore
 504          * those page blocks.
 505          */
 506         if (page) {
 507                 for (i = 0; i < count; i++)
 508                         page_kasan_tag_reset(nth_page(page, i));
 509         }
 510
 511         if (ret && !no_warn) {
 512                 pr_err_ratelimited("%s: %s: alloc failed, req-size: %lu pages, ret: %d\n",
 513                                    __func__, cma->name, count, ret);
 514                 cma_debug_show_areas(cma);
 515         }
 516
 517         pr_debug("%s(): returned %p\n", __func__, page);
 518 out:
 519         if (page) {
 520                 count_vm_event(CMA_ALLOC_SUCCESS);
 521                 cma_sysfs_account_success_pages(cma, count);
 522         } else {
 523                 count_vm_event(CMA_ALLOC_FAIL);
 524                 if (cma)
 525                         cma_sysfs_account_fail_pages(cma, count);
 526         }
 527
 528         return page;
 529 }
 530
 531 bool cma_pages_valid(struct cma *cma, const struct page *pages,
 532                      unsigned long count)
 533 {
 534         unsigned long pfn;
 535
 536         if (!cma || !pages)
 537                 return false;
 538
 539         pfn = page_to_pfn(pages);
 540
 541         if (pfn < cma->base_pfn || pfn >= cma->base_pfn + cma->count) {
 542                 pr_debug("%s(page %p, count %lu)\n", __func__,
 543                                                 (void *)pages, count);
 544                 return false;
 545         }
 546
 547         return true;
 548 }
 549
 550 /**
 551  * cma_release() - release allocated pages
 552  * @cma:   Contiguous memory region for which the allocation is performed.
 553  * @pages: Allocated pages.
 554  * @count: Number of allocated pages.
 555  *
 556  * This function releases memory allocated by cma_alloc().
 557  * It returns false when provided pages do not belong to contiguous area and
 558  * true otherwise.
 559  */
 560 bool cma_release(struct cma *cma, const struct page *pages,
 561                  unsigned long count)
 562 {
 563         unsigned long pfn;
 564
 565         if (!cma_pages_valid(cma, pages, count))
 566                 return false;
 567
 568         pr_debug("%s(page %p, count %lu)\n", __func__, (void *)pages, count);
 569
 570         pfn = page_to_pfn(pages);
 571
 572         VM_BUG_ON(pfn + count > cma->base_pfn + cma->count);
 573
 574         free_contig_range(pfn, count);
 575         cma_clear_bitmap(cma, pfn, count);
 576         trace_cma_release(cma->name, pfn, pages, count);
 577
 578         return true;
 579 }
 580
 581 int cma_for_each_area(int (*it)(struct cma *cma, void *data), void *data)
 582 {
 583         int i;
 584
 585         for (i = 0; i < cma_area_count; i++) {
 586                 int ret = it(&cma_areas[i], data);
 587
 588                 if (ret)
 589                         return ret;
 590         }
 591
 592         return 0;
 593 }