kfence: test: fail fast if disabled at boot
[linux-2.6-microblaze.git] / mm / percpu.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * mm/percpu.c - percpu memory allocator
4  *
5  * Copyright (C) 2009           SUSE Linux Products GmbH
6  * Copyright (C) 2009           Tejun Heo <tj@kernel.org>
7  *
8  * Copyright (C) 2017           Facebook Inc.
9  * Copyright (C) 2017           Dennis Zhou <dennis@kernel.org>
10  *
11  * The percpu allocator handles both static and dynamic areas.  Percpu
12  * areas are allocated in chunks which are divided into units.  There is
13  * a 1-to-1 mapping for units to possible cpus.  These units are grouped
14  * based on NUMA properties of the machine.
15  *
16  *  c0                           c1                         c2
17  *  -------------------          -------------------        ------------
18  * | u0 | u1 | u2 | u3 |        | u0 | u1 | u2 | u3 |      | u0 | u1 | u
19  *  -------------------  ......  -------------------  ....  ------------
20  *
21  * Allocation is done by offsets into a unit's address space.  Ie., an
22  * area of 512 bytes at 6k in c1 occupies 512 bytes at 6k in c1:u0,
23  * c1:u1, c1:u2, etc.  On NUMA machines, the mapping may be non-linear
24  * and even sparse.  Access is handled by configuring percpu base
25  * registers according to the cpu to unit mappings and offsetting the
26  * base address using pcpu_unit_size.
27  *
28  * There is special consideration for the first chunk which must handle
29  * the static percpu variables in the kernel image as allocation services
30  * are not online yet.  In short, the first chunk is structured like so:
31  *
32  *                  <Static | [Reserved] | Dynamic>
33  *
34  * The static data is copied from the original section managed by the
35  * linker.  The reserved section, if non-zero, primarily manages static
36  * percpu variables from kernel modules.  Finally, the dynamic section
37  * takes care of normal allocations.
38  *
39  * The allocator organizes chunks into lists according to free size and
40  * memcg-awareness.  To make a percpu allocation memcg-aware the __GFP_ACCOUNT
41  * flag should be passed.  All memcg-aware allocations are sharing one set
42  * of chunks and all unaccounted allocations and allocations performed
43  * by processes belonging to the root memory cgroup are using the second set.
44  *
45  * The allocator tries to allocate from the fullest chunk first. Each chunk
46  * is managed by a bitmap with metadata blocks.  The allocation map is updated
47  * on every allocation and free to reflect the current state while the boundary
48  * map is only updated on allocation.  Each metadata block contains
49  * information to help mitigate the need to iterate over large portions
50  * of the bitmap.  The reverse mapping from page to chunk is stored in
51  * the page's index.  Lastly, units are lazily backed and grow in unison.
52  *
53  * There is a unique conversion that goes on here between bytes and bits.
54  * Each bit represents a fragment of size PCPU_MIN_ALLOC_SIZE.  The chunk
55  * tracks the number of pages it is responsible for in nr_pages.  Helper
56  * functions are used to convert from between the bytes, bits, and blocks.
57  * All hints are managed in bits unless explicitly stated.
58  *
59  * To use this allocator, arch code should do the following:
60  *
61  * - define __addr_to_pcpu_ptr() and __pcpu_ptr_to_addr() to translate
62  *   regular address to percpu pointer and back if they need to be
63  *   different from the default
64  *
65  * - use pcpu_setup_first_chunk() during percpu area initialization to
66  *   setup the first chunk containing the kernel static percpu area
67  */
68
69 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
70
71 #include <linux/bitmap.h>
72 #include <linux/cpumask.h>
73 #include <linux/memblock.h>
74 #include <linux/err.h>
75 #include <linux/lcm.h>
76 #include <linux/list.h>
77 #include <linux/log2.h>
78 #include <linux/mm.h>
79 #include <linux/module.h>
80 #include <linux/mutex.h>
81 #include <linux/percpu.h>
82 #include <linux/pfn.h>
83 #include <linux/slab.h>
84 #include <linux/spinlock.h>
85 #include <linux/vmalloc.h>
86 #include <linux/workqueue.h>
87 #include <linux/kmemleak.h>
88 #include <linux/sched.h>
89 #include <linux/sched/mm.h>
90 #include <linux/memcontrol.h>
91
92 #include <asm/cacheflush.h>
93 #include <asm/sections.h>
94 #include <asm/tlbflush.h>
95 #include <asm/io.h>
96
97 #define CREATE_TRACE_POINTS
98 #include <trace/events/percpu.h>
99
100 #include "percpu-internal.h"
101
102 /*
103  * The slots are sorted by the size of the biggest continuous free area.
104  * 1-31 bytes share the same slot.
105  */
106 #define PCPU_SLOT_BASE_SHIFT            5
107 /* chunks in slots below this are subject to being sidelined on failed alloc */
108 #define PCPU_SLOT_FAIL_THRESHOLD        3
109
110 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW        2
111 #define PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH       4
112
113 #ifdef CONFIG_SMP
114 /* default addr <-> pcpu_ptr mapping, override in asm/percpu.h if necessary */
115 #ifndef __addr_to_pcpu_ptr
116 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)                                        \
117         (void __percpu *)((unsigned long)(addr) -                       \
118                           (unsigned long)pcpu_base_addr +               \
119                           (unsigned long)__per_cpu_start)
120 #endif
121 #ifndef __pcpu_ptr_to_addr
122 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)                                         \
123         (void __force *)((unsigned long)(ptr) +                         \
124                          (unsigned long)pcpu_base_addr -                \
125                          (unsigned long)__per_cpu_start)
126 #endif
127 #else   /* CONFIG_SMP */
128 /* on UP, it's always identity mapped */
129 #define __addr_to_pcpu_ptr(addr)        (void __percpu *)(addr)
130 #define __pcpu_ptr_to_addr(ptr)         (void __force *)(ptr)
131 #endif  /* CONFIG_SMP */
132
133 static int pcpu_unit_pages __ro_after_init;
134 static int pcpu_unit_size __ro_after_init;
135 static int pcpu_nr_units __ro_after_init;
136 static int pcpu_atom_size __ro_after_init;
137 int pcpu_nr_slots __ro_after_init;
138 static int pcpu_free_slot __ro_after_init;
139 int pcpu_sidelined_slot __ro_after_init;
140 int pcpu_to_depopulate_slot __ro_after_init;
141 static size_t pcpu_chunk_struct_size __ro_after_init;
142
143 /* cpus with the lowest and highest unit addresses */
144 static unsigned int pcpu_low_unit_cpu __ro_after_init;
145 static unsigned int pcpu_high_unit_cpu __ro_after_init;
146
147 /* the address of the first chunk which starts with the kernel static area */
148 void *pcpu_base_addr __ro_after_init;
149 EXPORT_SYMBOL_GPL(pcpu_base_addr);
150
151 static const int *pcpu_unit_map __ro_after_init;                /* cpu -> unit */
152 const unsigned long *pcpu_unit_offsets __ro_after_init; /* cpu -> unit offset */
153
154 /* group information, used for vm allocation */
155 static int pcpu_nr_groups __ro_after_init;
156 static const unsigned long *pcpu_group_offsets __ro_after_init;
157 static const size_t *pcpu_group_sizes __ro_after_init;
158
159 /*
160  * The first chunk which always exists.  Note that unlike other
161  * chunks, this one can be allocated and mapped in several different
162  * ways and thus often doesn't live in the vmalloc area.
163  */
164 struct pcpu_chunk *pcpu_first_chunk __ro_after_init;
165
166 /*
167  * Optional reserved chunk.  This chunk reserves part of the first
168  * chunk and serves it for reserved allocations.  When the reserved
169  * region doesn't exist, the following variable is NULL.
170  */
171 struct pcpu_chunk *pcpu_reserved_chunk __ro_after_init;
172
173 DEFINE_SPINLOCK(pcpu_lock);     /* all internal data structures */
174 static DEFINE_MUTEX(pcpu_alloc_mutex);  /* chunk create/destroy, [de]pop, map ext */
175
176 struct list_head *pcpu_chunk_lists __ro_after_init; /* chunk list slots */
177
178 /* chunks which need their map areas extended, protected by pcpu_lock */
179 static LIST_HEAD(pcpu_map_extend_chunks);
180
181 /*
182  * The number of empty populated pages, protected by pcpu_lock.
183  * The reserved chunk doesn't contribute to the count.
184  */
185 int pcpu_nr_empty_pop_pages;
186
187 /*
188  * The number of populated pages in use by the allocator, protected by
189  * pcpu_lock.  This number is kept per a unit per chunk (i.e. when a page gets
190  * allocated/deallocated, it is allocated/deallocated in all units of a chunk
191  * and increments/decrements this count by 1).
192  */
193 static unsigned long pcpu_nr_populated;
194
195 /*
196  * Balance work is used to populate or destroy chunks asynchronously.  We
197  * try to keep the number of populated free pages between
198  * PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW and HIGH for atomic allocations and at most one
199  * empty chunk.
200  */
201 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work);
202 static DECLARE_WORK(pcpu_balance_work, pcpu_balance_workfn);
203 static bool pcpu_async_enabled __read_mostly;
204 static bool pcpu_atomic_alloc_failed;
205
206 static void pcpu_schedule_balance_work(void)
207 {
208         if (pcpu_async_enabled)
209                 schedule_work(&pcpu_balance_work);
210 }
211
212 /**
213  * pcpu_addr_in_chunk - check if the address is served from this chunk
214  * @chunk: chunk of interest
215  * @addr: percpu address
216  *
217  * RETURNS:
218  * True if the address is served from this chunk.
219  */
220 static bool pcpu_addr_in_chunk(struct pcpu_chunk *chunk, void *addr)
221 {
222         void *start_addr, *end_addr;
223
224         if (!chunk)
225                 return false;
226
227         start_addr = chunk->base_addr + chunk->start_offset;
228         end_addr = chunk->base_addr + chunk->nr_pages * PAGE_SIZE -
229                    chunk->end_offset;
230
231         return addr >= start_addr && addr < end_addr;
232 }
233
234 static int __pcpu_size_to_slot(int size)
235 {
236         int highbit = fls(size);        /* size is in bytes */
237         return max(highbit - PCPU_SLOT_BASE_SHIFT + 2, 1);
238 }
239
240 static int pcpu_size_to_slot(int size)
241 {
242         if (size == pcpu_unit_size)
243                 return pcpu_free_slot;
244         return __pcpu_size_to_slot(size);
245 }
246
247 static int pcpu_chunk_slot(const struct pcpu_chunk *chunk)
248 {
249         const struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
250
251         if (chunk->free_bytes < PCPU_MIN_ALLOC_SIZE ||
252             chunk_md->contig_hint == 0)
253                 return 0;
254
255         return pcpu_size_to_slot(chunk_md->contig_hint * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
256 }
257
258 /* set the pointer to a chunk in a page struct */
259 static void pcpu_set_page_chunk(struct page *page, struct pcpu_chunk *pcpu)
260 {
261         page->index = (unsigned long)pcpu;
262 }
263
264 /* obtain pointer to a chunk from a page struct */
265 static struct pcpu_chunk *pcpu_get_page_chunk(struct page *page)
266 {
267         return (struct pcpu_chunk *)page->index;
268 }
269
270 static int __maybe_unused pcpu_page_idx(unsigned int cpu, int page_idx)
271 {
272         return pcpu_unit_map[cpu] * pcpu_unit_pages + page_idx;
273 }
274
275 static unsigned long pcpu_unit_page_offset(unsigned int cpu, int page_idx)
276 {
277         return pcpu_unit_offsets[cpu] + (page_idx << PAGE_SHIFT);
278 }
279
280 static unsigned long pcpu_chunk_addr(struct pcpu_chunk *chunk,
281                                      unsigned int cpu, int page_idx)
282 {
283         return (unsigned long)chunk->base_addr +
284                pcpu_unit_page_offset(cpu, page_idx);
285 }
286
287 /*
288  * The following are helper functions to help access bitmaps and convert
289  * between bitmap offsets to address offsets.
290  */
291 static unsigned long *pcpu_index_alloc_map(struct pcpu_chunk *chunk, int index)
292 {
293         return chunk->alloc_map +
294                (index * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS / BITS_PER_LONG);
295 }
296
297 static unsigned long pcpu_off_to_block_index(int off)
298 {
299         return off / PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
300 }
301
302 static unsigned long pcpu_off_to_block_off(int off)
303 {
304         return off & (PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - 1);
305 }
306
307 static unsigned long pcpu_block_off_to_off(int index, int off)
308 {
309         return index * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS + off;
310 }
311
312 /**
313  * pcpu_check_block_hint - check against the contig hint
314  * @block: block of interest
315  * @bits: size of allocation
316  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
317  *
318  * Check to see if the allocation can fit in the block's contig hint.
319  * Note, a chunk uses the same hints as a block so this can also check against
320  * the chunk's contig hint.
321  */
322 static bool pcpu_check_block_hint(struct pcpu_block_md *block, int bits,
323                                   size_t align)
324 {
325         int bit_off = ALIGN(block->contig_hint_start, align) -
326                 block->contig_hint_start;
327
328         return bit_off + bits <= block->contig_hint;
329 }
330
331 /*
332  * pcpu_next_hint - determine which hint to use
333  * @block: block of interest
334  * @alloc_bits: size of allocation
335  *
336  * This determines if we should scan based on the scan_hint or first_free.
337  * In general, we want to scan from first_free to fulfill allocations by
338  * first fit.  However, if we know a scan_hint at position scan_hint_start
339  * cannot fulfill an allocation, we can begin scanning from there knowing
340  * the contig_hint will be our fallback.
341  */
342 static int pcpu_next_hint(struct pcpu_block_md *block, int alloc_bits)
343 {
344         /*
345          * The three conditions below determine if we can skip past the
346          * scan_hint.  First, does the scan hint exist.  Second, is the
347          * contig_hint after the scan_hint (possibly not true iff
348          * contig_hint == scan_hint).  Third, is the allocation request
349          * larger than the scan_hint.
350          */
351         if (block->scan_hint &&
352             block->contig_hint_start > block->scan_hint_start &&
353             alloc_bits > block->scan_hint)
354                 return block->scan_hint_start + block->scan_hint;
355
356         return block->first_free;
357 }
358
359 /**
360  * pcpu_next_md_free_region - finds the next hint free area
361  * @chunk: chunk of interest
362  * @bit_off: chunk offset
363  * @bits: size of free area
364  *
365  * Helper function for pcpu_for_each_md_free_region.  It checks
366  * block->contig_hint and performs aggregation across blocks to find the
367  * next hint.  It modifies bit_off and bits in-place to be consumed in the
368  * loop.
369  */
370 static void pcpu_next_md_free_region(struct pcpu_chunk *chunk, int *bit_off,
371                                      int *bits)
372 {
373         int i = pcpu_off_to_block_index(*bit_off);
374         int block_off = pcpu_off_to_block_off(*bit_off);
375         struct pcpu_block_md *block;
376
377         *bits = 0;
378         for (block = chunk->md_blocks + i; i < pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
379              block++, i++) {
380                 /* handles contig area across blocks */
381                 if (*bits) {
382                         *bits += block->left_free;
383                         if (block->left_free == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
384                                 continue;
385                         return;
386                 }
387
388                 /*
389                  * This checks three things.  First is there a contig_hint to
390                  * check.  Second, have we checked this hint before by
391                  * comparing the block_off.  Third, is this the same as the
392                  * right contig hint.  In the last case, it spills over into
393                  * the next block and should be handled by the contig area
394                  * across blocks code.
395                  */
396                 *bits = block->contig_hint;
397                 if (*bits && block->contig_hint_start >= block_off &&
398                     *bits + block->contig_hint_start < PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) {
399                         *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i,
400                                         block->contig_hint_start);
401                         return;
402                 }
403                 /* reset to satisfy the second predicate above */
404                 block_off = 0;
405
406                 *bits = block->right_free;
407                 *bit_off = (i + 1) * PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - block->right_free;
408         }
409 }
410
411 /**
412  * pcpu_next_fit_region - finds fit areas for a given allocation request
413  * @chunk: chunk of interest
414  * @alloc_bits: size of allocation
415  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
416  * @bit_off: chunk offset
417  * @bits: size of free area
418  *
419  * Finds the next free region that is viable for use with a given size and
420  * alignment.  This only returns if there is a valid area to be used for this
421  * allocation.  block->first_free is returned if the allocation request fits
422  * within the block to see if the request can be fulfilled prior to the contig
423  * hint.
424  */
425 static void pcpu_next_fit_region(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
426                                  int align, int *bit_off, int *bits)
427 {
428         int i = pcpu_off_to_block_index(*bit_off);
429         int block_off = pcpu_off_to_block_off(*bit_off);
430         struct pcpu_block_md *block;
431
432         *bits = 0;
433         for (block = chunk->md_blocks + i; i < pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
434              block++, i++) {
435                 /* handles contig area across blocks */
436                 if (*bits) {
437                         *bits += block->left_free;
438                         if (*bits >= alloc_bits)
439                                 return;
440                         if (block->left_free == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
441                                 continue;
442                 }
443
444                 /* check block->contig_hint */
445                 *bits = ALIGN(block->contig_hint_start, align) -
446                         block->contig_hint_start;
447                 /*
448                  * This uses the block offset to determine if this has been
449                  * checked in the prior iteration.
450                  */
451                 if (block->contig_hint &&
452                     block->contig_hint_start >= block_off &&
453                     block->contig_hint >= *bits + alloc_bits) {
454                         int start = pcpu_next_hint(block, alloc_bits);
455
456                         *bits += alloc_bits + block->contig_hint_start -
457                                  start;
458                         *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i, start);
459                         return;
460                 }
461                 /* reset to satisfy the second predicate above */
462                 block_off = 0;
463
464                 *bit_off = ALIGN(PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - block->right_free,
465                                  align);
466                 *bits = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - *bit_off;
467                 *bit_off = pcpu_block_off_to_off(i, *bit_off);
468                 if (*bits >= alloc_bits)
469                         return;
470         }
471
472         /* no valid offsets were found - fail condition */
473         *bit_off = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
474 }
475
476 /*
477  * Metadata free area iterators.  These perform aggregation of free areas
478  * based on the metadata blocks and return the offset @bit_off and size in
479  * bits of the free area @bits.  pcpu_for_each_fit_region only returns when
480  * a fit is found for the allocation request.
481  */
482 #define pcpu_for_each_md_free_region(chunk, bit_off, bits)              \
483         for (pcpu_next_md_free_region((chunk), &(bit_off), &(bits));    \
484              (bit_off) < pcpu_chunk_map_bits((chunk));                  \
485              (bit_off) += (bits) + 1,                                   \
486              pcpu_next_md_free_region((chunk), &(bit_off), &(bits)))
487
488 #define pcpu_for_each_fit_region(chunk, alloc_bits, align, bit_off, bits)     \
489         for (pcpu_next_fit_region((chunk), (alloc_bits), (align), &(bit_off), \
490                                   &(bits));                                   \
491              (bit_off) < pcpu_chunk_map_bits((chunk));                        \
492              (bit_off) += (bits),                                             \
493              pcpu_next_fit_region((chunk), (alloc_bits), (align), &(bit_off), \
494                                   &(bits)))
495
496 /**
497  * pcpu_mem_zalloc - allocate memory
498  * @size: bytes to allocate
499  * @gfp: allocation flags
500  *
501  * Allocate @size bytes.  If @size is smaller than PAGE_SIZE,
502  * kzalloc() is used; otherwise, the equivalent of vzalloc() is used.
503  * This is to facilitate passing through whitelisted flags.  The
504  * returned memory is always zeroed.
505  *
506  * RETURNS:
507  * Pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
508  */
509 static void *pcpu_mem_zalloc(size_t size, gfp_t gfp)
510 {
511         if (WARN_ON_ONCE(!slab_is_available()))
512                 return NULL;
513
514         if (size <= PAGE_SIZE)
515                 return kzalloc(size, gfp);
516         else
517                 return __vmalloc(size, gfp | __GFP_ZERO);
518 }
519
520 /**
521  * pcpu_mem_free - free memory
522  * @ptr: memory to free
523  *
524  * Free @ptr.  @ptr should have been allocated using pcpu_mem_zalloc().
525  */
526 static void pcpu_mem_free(void *ptr)
527 {
528         kvfree(ptr);
529 }
530
531 static void __pcpu_chunk_move(struct pcpu_chunk *chunk, int slot,
532                               bool move_front)
533 {
534         if (chunk != pcpu_reserved_chunk) {
535                 if (move_front)
536                         list_move(&chunk->list, &pcpu_chunk_lists[slot]);
537                 else
538                         list_move_tail(&chunk->list, &pcpu_chunk_lists[slot]);
539         }
540 }
541
542 static void pcpu_chunk_move(struct pcpu_chunk *chunk, int slot)
543 {
544         __pcpu_chunk_move(chunk, slot, true);
545 }
546
547 /**
548  * pcpu_chunk_relocate - put chunk in the appropriate chunk slot
549  * @chunk: chunk of interest
550  * @oslot: the previous slot it was on
551  *
552  * This function is called after an allocation or free changed @chunk.
553  * New slot according to the changed state is determined and @chunk is
554  * moved to the slot.  Note that the reserved chunk is never put on
555  * chunk slots.
556  *
557  * CONTEXT:
558  * pcpu_lock.
559  */
560 static void pcpu_chunk_relocate(struct pcpu_chunk *chunk, int oslot)
561 {
562         int nslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
563
564         /* leave isolated chunks in-place */
565         if (chunk->isolated)
566                 return;
567
568         if (oslot != nslot)
569                 __pcpu_chunk_move(chunk, nslot, oslot < nslot);
570 }
571
572 static void pcpu_isolate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
573 {
574         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
575
576         if (!chunk->isolated) {
577                 chunk->isolated = true;
578                 pcpu_nr_empty_pop_pages -= chunk->nr_empty_pop_pages;
579         }
580         list_move(&chunk->list, &pcpu_chunk_lists[pcpu_to_depopulate_slot]);
581 }
582
583 static void pcpu_reintegrate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
584 {
585         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
586
587         if (chunk->isolated) {
588                 chunk->isolated = false;
589                 pcpu_nr_empty_pop_pages += chunk->nr_empty_pop_pages;
590                 pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
591         }
592 }
593
594 /*
595  * pcpu_update_empty_pages - update empty page counters
596  * @chunk: chunk of interest
597  * @nr: nr of empty pages
598  *
599  * This is used to keep track of the empty pages now based on the premise
600  * a md_block covers a page.  The hint update functions recognize if a block
601  * is made full or broken to calculate deltas for keeping track of free pages.
602  */
603 static inline void pcpu_update_empty_pages(struct pcpu_chunk *chunk, int nr)
604 {
605         chunk->nr_empty_pop_pages += nr;
606         if (chunk != pcpu_reserved_chunk && !chunk->isolated)
607                 pcpu_nr_empty_pop_pages += nr;
608 }
609
610 /*
611  * pcpu_region_overlap - determines if two regions overlap
612  * @a: start of first region, inclusive
613  * @b: end of first region, exclusive
614  * @x: start of second region, inclusive
615  * @y: end of second region, exclusive
616  *
617  * This is used to determine if the hint region [a, b) overlaps with the
618  * allocated region [x, y).
619  */
620 static inline bool pcpu_region_overlap(int a, int b, int x, int y)
621 {
622         return (a < y) && (x < b);
623 }
624
625 /**
626  * pcpu_block_update - updates a block given a free area
627  * @block: block of interest
628  * @start: start offset in block
629  * @end: end offset in block
630  *
631  * Updates a block given a known free area.  The region [start, end) is
632  * expected to be the entirety of the free area within a block.  Chooses
633  * the best starting offset if the contig hints are equal.
634  */
635 static void pcpu_block_update(struct pcpu_block_md *block, int start, int end)
636 {
637         int contig = end - start;
638
639         block->first_free = min(block->first_free, start);
640         if (start == 0)
641                 block->left_free = contig;
642
643         if (end == block->nr_bits)
644                 block->right_free = contig;
645
646         if (contig > block->contig_hint) {
647                 /* promote the old contig_hint to be the new scan_hint */
648                 if (start > block->contig_hint_start) {
649                         if (block->contig_hint > block->scan_hint) {
650                                 block->scan_hint_start =
651                                         block->contig_hint_start;
652                                 block->scan_hint = block->contig_hint;
653                         } else if (start < block->scan_hint_start) {
654                                 /*
655                                  * The old contig_hint == scan_hint.  But, the
656                                  * new contig is larger so hold the invariant
657                                  * scan_hint_start < contig_hint_start.
658                                  */
659                                 block->scan_hint = 0;
660                         }
661                 } else {
662                         block->scan_hint = 0;
663                 }
664                 block->contig_hint_start = start;
665                 block->contig_hint = contig;
666         } else if (contig == block->contig_hint) {
667                 if (block->contig_hint_start &&
668                     (!start ||
669                      __ffs(start) > __ffs(block->contig_hint_start))) {
670                         /* start has a better alignment so use it */
671                         block->contig_hint_start = start;
672                         if (start < block->scan_hint_start &&
673                             block->contig_hint > block->scan_hint)
674                                 block->scan_hint = 0;
675                 } else if (start > block->scan_hint_start ||
676                            block->contig_hint > block->scan_hint) {
677                         /*
678                          * Knowing contig == contig_hint, update the scan_hint
679                          * if it is farther than or larger than the current
680                          * scan_hint.
681                          */
682                         block->scan_hint_start = start;
683                         block->scan_hint = contig;
684                 }
685         } else {
686                 /*
687                  * The region is smaller than the contig_hint.  So only update
688                  * the scan_hint if it is larger than or equal and farther than
689                  * the current scan_hint.
690                  */
691                 if ((start < block->contig_hint_start &&
692                      (contig > block->scan_hint ||
693                       (contig == block->scan_hint &&
694                        start > block->scan_hint_start)))) {
695                         block->scan_hint_start = start;
696                         block->scan_hint = contig;
697                 }
698         }
699 }
700
701 /*
702  * pcpu_block_update_scan - update a block given a free area from a scan
703  * @chunk: chunk of interest
704  * @bit_off: chunk offset
705  * @bits: size of free area
706  *
707  * Finding the final allocation spot first goes through pcpu_find_block_fit()
708  * to find a block that can hold the allocation and then pcpu_alloc_area()
709  * where a scan is used.  When allocations require specific alignments,
710  * we can inadvertently create holes which will not be seen in the alloc
711  * or free paths.
712  *
713  * This takes a given free area hole and updates a block as it may change the
714  * scan_hint.  We need to scan backwards to ensure we don't miss free bits
715  * from alignment.
716  */
717 static void pcpu_block_update_scan(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off,
718                                    int bits)
719 {
720         int s_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off);
721         int e_off = s_off + bits;
722         int s_index, l_bit;
723         struct pcpu_block_md *block;
724
725         if (e_off > PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
726                 return;
727
728         s_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off);
729         block = chunk->md_blocks + s_index;
730
731         /* scan backwards in case of alignment skipping free bits */
732         l_bit = find_last_bit(pcpu_index_alloc_map(chunk, s_index), s_off);
733         s_off = (s_off == l_bit) ? 0 : l_bit + 1;
734
735         pcpu_block_update(block, s_off, e_off);
736 }
737
738 /**
739  * pcpu_chunk_refresh_hint - updates metadata about a chunk
740  * @chunk: chunk of interest
741  * @full_scan: if we should scan from the beginning
742  *
743  * Iterates over the metadata blocks to find the largest contig area.
744  * A full scan can be avoided on the allocation path as this is triggered
745  * if we broke the contig_hint.  In doing so, the scan_hint will be before
746  * the contig_hint or after if the scan_hint == contig_hint.  This cannot
747  * be prevented on freeing as we want to find the largest area possibly
748  * spanning blocks.
749  */
750 static void pcpu_chunk_refresh_hint(struct pcpu_chunk *chunk, bool full_scan)
751 {
752         struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
753         int bit_off, bits;
754
755         /* promote scan_hint to contig_hint */
756         if (!full_scan && chunk_md->scan_hint) {
757                 bit_off = chunk_md->scan_hint_start + chunk_md->scan_hint;
758                 chunk_md->contig_hint_start = chunk_md->scan_hint_start;
759                 chunk_md->contig_hint = chunk_md->scan_hint;
760                 chunk_md->scan_hint = 0;
761         } else {
762                 bit_off = chunk_md->first_free;
763                 chunk_md->contig_hint = 0;
764         }
765
766         bits = 0;
767         pcpu_for_each_md_free_region(chunk, bit_off, bits)
768                 pcpu_block_update(chunk_md, bit_off, bit_off + bits);
769 }
770
771 /**
772  * pcpu_block_refresh_hint
773  * @chunk: chunk of interest
774  * @index: index of the metadata block
775  *
776  * Scans over the block beginning at first_free and updates the block
777  * metadata accordingly.
778  */
779 static void pcpu_block_refresh_hint(struct pcpu_chunk *chunk, int index)
780 {
781         struct pcpu_block_md *block = chunk->md_blocks + index;
782         unsigned long *alloc_map = pcpu_index_alloc_map(chunk, index);
783         unsigned int rs, re, start;     /* region start, region end */
784
785         /* promote scan_hint to contig_hint */
786         if (block->scan_hint) {
787                 start = block->scan_hint_start + block->scan_hint;
788                 block->contig_hint_start = block->scan_hint_start;
789                 block->contig_hint = block->scan_hint;
790                 block->scan_hint = 0;
791         } else {
792                 start = block->first_free;
793                 block->contig_hint = 0;
794         }
795
796         block->right_free = 0;
797
798         /* iterate over free areas and update the contig hints */
799         bitmap_for_each_clear_region(alloc_map, rs, re, start,
800                                      PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
801                 pcpu_block_update(block, rs, re);
802 }
803
804 /**
805  * pcpu_block_update_hint_alloc - update hint on allocation path
806  * @chunk: chunk of interest
807  * @bit_off: chunk offset
808  * @bits: size of request
809  *
810  * Updates metadata for the allocation path.  The metadata only has to be
811  * refreshed by a full scan iff the chunk's contig hint is broken.  Block level
812  * scans are required if the block's contig hint is broken.
813  */
814 static void pcpu_block_update_hint_alloc(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off,
815                                          int bits)
816 {
817         struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
818         int nr_empty_pages = 0;
819         struct pcpu_block_md *s_block, *e_block, *block;
820         int s_index, e_index;   /* block indexes of the freed allocation */
821         int s_off, e_off;       /* block offsets of the freed allocation */
822
823         /*
824          * Calculate per block offsets.
825          * The calculation uses an inclusive range, but the resulting offsets
826          * are [start, end).  e_index always points to the last block in the
827          * range.
828          */
829         s_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off);
830         e_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off + bits - 1);
831         s_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off);
832         e_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off + bits - 1) + 1;
833
834         s_block = chunk->md_blocks + s_index;
835         e_block = chunk->md_blocks + e_index;
836
837         /*
838          * Update s_block.
839          * block->first_free must be updated if the allocation takes its place.
840          * If the allocation breaks the contig_hint, a scan is required to
841          * restore this hint.
842          */
843         if (s_block->contig_hint == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
844                 nr_empty_pages++;
845
846         if (s_off == s_block->first_free)
847                 s_block->first_free = find_next_zero_bit(
848                                         pcpu_index_alloc_map(chunk, s_index),
849                                         PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS,
850                                         s_off + bits);
851
852         if (pcpu_region_overlap(s_block->scan_hint_start,
853                                 s_block->scan_hint_start + s_block->scan_hint,
854                                 s_off,
855                                 s_off + bits))
856                 s_block->scan_hint = 0;
857
858         if (pcpu_region_overlap(s_block->contig_hint_start,
859                                 s_block->contig_hint_start +
860                                 s_block->contig_hint,
861                                 s_off,
862                                 s_off + bits)) {
863                 /* block contig hint is broken - scan to fix it */
864                 if (!s_off)
865                         s_block->left_free = 0;
866                 pcpu_block_refresh_hint(chunk, s_index);
867         } else {
868                 /* update left and right contig manually */
869                 s_block->left_free = min(s_block->left_free, s_off);
870                 if (s_index == e_index)
871                         s_block->right_free = min_t(int, s_block->right_free,
872                                         PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - e_off);
873                 else
874                         s_block->right_free = 0;
875         }
876
877         /*
878          * Update e_block.
879          */
880         if (s_index != e_index) {
881                 if (e_block->contig_hint == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
882                         nr_empty_pages++;
883
884                 /*
885                  * When the allocation is across blocks, the end is along
886                  * the left part of the e_block.
887                  */
888                 e_block->first_free = find_next_zero_bit(
889                                 pcpu_index_alloc_map(chunk, e_index),
890                                 PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS, e_off);
891
892                 if (e_off == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) {
893                         /* reset the block */
894                         e_block++;
895                 } else {
896                         if (e_off > e_block->scan_hint_start)
897                                 e_block->scan_hint = 0;
898
899                         e_block->left_free = 0;
900                         if (e_off > e_block->contig_hint_start) {
901                                 /* contig hint is broken - scan to fix it */
902                                 pcpu_block_refresh_hint(chunk, e_index);
903                         } else {
904                                 e_block->right_free =
905                                         min_t(int, e_block->right_free,
906                                               PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS - e_off);
907                         }
908                 }
909
910                 /* update in-between md_blocks */
911                 nr_empty_pages += (e_index - s_index - 1);
912                 for (block = s_block + 1; block < e_block; block++) {
913                         block->scan_hint = 0;
914                         block->contig_hint = 0;
915                         block->left_free = 0;
916                         block->right_free = 0;
917                 }
918         }
919
920         if (nr_empty_pages)
921                 pcpu_update_empty_pages(chunk, -nr_empty_pages);
922
923         if (pcpu_region_overlap(chunk_md->scan_hint_start,
924                                 chunk_md->scan_hint_start +
925                                 chunk_md->scan_hint,
926                                 bit_off,
927                                 bit_off + bits))
928                 chunk_md->scan_hint = 0;
929
930         /*
931          * The only time a full chunk scan is required is if the chunk
932          * contig hint is broken.  Otherwise, it means a smaller space
933          * was used and therefore the chunk contig hint is still correct.
934          */
935         if (pcpu_region_overlap(chunk_md->contig_hint_start,
936                                 chunk_md->contig_hint_start +
937                                 chunk_md->contig_hint,
938                                 bit_off,
939                                 bit_off + bits))
940                 pcpu_chunk_refresh_hint(chunk, false);
941 }
942
943 /**
944  * pcpu_block_update_hint_free - updates the block hints on the free path
945  * @chunk: chunk of interest
946  * @bit_off: chunk offset
947  * @bits: size of request
948  *
949  * Updates metadata for the allocation path.  This avoids a blind block
950  * refresh by making use of the block contig hints.  If this fails, it scans
951  * forward and backward to determine the extent of the free area.  This is
952  * capped at the boundary of blocks.
953  *
954  * A chunk update is triggered if a page becomes free, a block becomes free,
955  * or the free spans across blocks.  This tradeoff is to minimize iterating
956  * over the block metadata to update chunk_md->contig_hint.
957  * chunk_md->contig_hint may be off by up to a page, but it will never be more
958  * than the available space.  If the contig hint is contained in one block, it
959  * will be accurate.
960  */
961 static void pcpu_block_update_hint_free(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off,
962                                         int bits)
963 {
964         int nr_empty_pages = 0;
965         struct pcpu_block_md *s_block, *e_block, *block;
966         int s_index, e_index;   /* block indexes of the freed allocation */
967         int s_off, e_off;       /* block offsets of the freed allocation */
968         int start, end;         /* start and end of the whole free area */
969
970         /*
971          * Calculate per block offsets.
972          * The calculation uses an inclusive range, but the resulting offsets
973          * are [start, end).  e_index always points to the last block in the
974          * range.
975          */
976         s_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off);
977         e_index = pcpu_off_to_block_index(bit_off + bits - 1);
978         s_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off);
979         e_off = pcpu_off_to_block_off(bit_off + bits - 1) + 1;
980
981         s_block = chunk->md_blocks + s_index;
982         e_block = chunk->md_blocks + e_index;
983
984         /*
985          * Check if the freed area aligns with the block->contig_hint.
986          * If it does, then the scan to find the beginning/end of the
987          * larger free area can be avoided.
988          *
989          * start and end refer to beginning and end of the free area
990          * within each their respective blocks.  This is not necessarily
991          * the entire free area as it may span blocks past the beginning
992          * or end of the block.
993          */
994         start = s_off;
995         if (s_off == s_block->contig_hint + s_block->contig_hint_start) {
996                 start = s_block->contig_hint_start;
997         } else {
998                 /*
999                  * Scan backwards to find the extent of the free area.
1000                  * find_last_bit returns the starting bit, so if the start bit
1001                  * is returned, that means there was no last bit and the
1002                  * remainder of the chunk is free.
1003                  */
1004                 int l_bit = find_last_bit(pcpu_index_alloc_map(chunk, s_index),
1005                                           start);
1006                 start = (start == l_bit) ? 0 : l_bit + 1;
1007         }
1008
1009         end = e_off;
1010         if (e_off == e_block->contig_hint_start)
1011                 end = e_block->contig_hint_start + e_block->contig_hint;
1012         else
1013                 end = find_next_bit(pcpu_index_alloc_map(chunk, e_index),
1014                                     PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS, end);
1015
1016         /* update s_block */
1017         e_off = (s_index == e_index) ? end : PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1018         if (!start && e_off == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
1019                 nr_empty_pages++;
1020         pcpu_block_update(s_block, start, e_off);
1021
1022         /* freeing in the same block */
1023         if (s_index != e_index) {
1024                 /* update e_block */
1025                 if (end == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS)
1026                         nr_empty_pages++;
1027                 pcpu_block_update(e_block, 0, end);
1028
1029                 /* reset md_blocks in the middle */
1030                 nr_empty_pages += (e_index - s_index - 1);
1031                 for (block = s_block + 1; block < e_block; block++) {
1032                         block->first_free = 0;
1033                         block->scan_hint = 0;
1034                         block->contig_hint_start = 0;
1035                         block->contig_hint = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1036                         block->left_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1037                         block->right_free = PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS;
1038                 }
1039         }
1040
1041         if (nr_empty_pages)
1042                 pcpu_update_empty_pages(chunk, nr_empty_pages);
1043
1044         /*
1045          * Refresh chunk metadata when the free makes a block free or spans
1046          * across blocks.  The contig_hint may be off by up to a page, but if
1047          * the contig_hint is contained in a block, it will be accurate with
1048          * the else condition below.
1049          */
1050         if (((end - start) >= PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS) || s_index != e_index)
1051                 pcpu_chunk_refresh_hint(chunk, true);
1052         else
1053                 pcpu_block_update(&chunk->chunk_md,
1054                                   pcpu_block_off_to_off(s_index, start),
1055                                   end);
1056 }
1057
1058 /**
1059  * pcpu_is_populated - determines if the region is populated
1060  * @chunk: chunk of interest
1061  * @bit_off: chunk offset
1062  * @bits: size of area
1063  * @next_off: return value for the next offset to start searching
1064  *
1065  * For atomic allocations, check if the backing pages are populated.
1066  *
1067  * RETURNS:
1068  * Bool if the backing pages are populated.
1069  * next_index is to skip over unpopulated blocks in pcpu_find_block_fit.
1070  */
1071 static bool pcpu_is_populated(struct pcpu_chunk *chunk, int bit_off, int bits,
1072                               int *next_off)
1073 {
1074         unsigned int page_start, page_end, rs, re;
1075
1076         page_start = PFN_DOWN(bit_off * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1077         page_end = PFN_UP((bit_off + bits) * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1078
1079         rs = page_start;
1080         bitmap_next_clear_region(chunk->populated, &rs, &re, page_end);
1081         if (rs >= page_end)
1082                 return true;
1083
1084         *next_off = re * PAGE_SIZE / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1085         return false;
1086 }
1087
1088 /**
1089  * pcpu_find_block_fit - finds the block index to start searching
1090  * @chunk: chunk of interest
1091  * @alloc_bits: size of request in allocation units
1092  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE bytes)
1093  * @pop_only: use populated regions only
1094  *
1095  * Given a chunk and an allocation spec, find the offset to begin searching
1096  * for a free region.  This iterates over the bitmap metadata blocks to
1097  * find an offset that will be guaranteed to fit the requirements.  It is
1098  * not quite first fit as if the allocation does not fit in the contig hint
1099  * of a block or chunk, it is skipped.  This errs on the side of caution
1100  * to prevent excess iteration.  Poor alignment can cause the allocator to
1101  * skip over blocks and chunks that have valid free areas.
1102  *
1103  * RETURNS:
1104  * The offset in the bitmap to begin searching.
1105  * -1 if no offset is found.
1106  */
1107 static int pcpu_find_block_fit(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
1108                                size_t align, bool pop_only)
1109 {
1110         struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
1111         int bit_off, bits, next_off;
1112
1113         /*
1114          * This is an optimization to prevent scanning by assuming if the
1115          * allocation cannot fit in the global hint, there is memory pressure
1116          * and creating a new chunk would happen soon.
1117          */
1118         if (!pcpu_check_block_hint(chunk_md, alloc_bits, align))
1119                 return -1;
1120
1121         bit_off = pcpu_next_hint(chunk_md, alloc_bits);
1122         bits = 0;
1123         pcpu_for_each_fit_region(chunk, alloc_bits, align, bit_off, bits) {
1124                 if (!pop_only || pcpu_is_populated(chunk, bit_off, bits,
1125                                                    &next_off))
1126                         break;
1127
1128                 bit_off = next_off;
1129                 bits = 0;
1130         }
1131
1132         if (bit_off == pcpu_chunk_map_bits(chunk))
1133                 return -1;
1134
1135         return bit_off;
1136 }
1137
1138 /*
1139  * pcpu_find_zero_area - modified from bitmap_find_next_zero_area_off()
1140  * @map: the address to base the search on
1141  * @size: the bitmap size in bits
1142  * @start: the bitnumber to start searching at
1143  * @nr: the number of zeroed bits we're looking for
1144  * @align_mask: alignment mask for zero area
1145  * @largest_off: offset of the largest area skipped
1146  * @largest_bits: size of the largest area skipped
1147  *
1148  * The @align_mask should be one less than a power of 2.
1149  *
1150  * This is a modified version of bitmap_find_next_zero_area_off() to remember
1151  * the largest area that was skipped.  This is imperfect, but in general is
1152  * good enough.  The largest remembered region is the largest failed region
1153  * seen.  This does not include anything we possibly skipped due to alignment.
1154  * pcpu_block_update_scan() does scan backwards to try and recover what was
1155  * lost to alignment.  While this can cause scanning to miss earlier possible
1156  * free areas, smaller allocations will eventually fill those holes.
1157  */
1158 static unsigned long pcpu_find_zero_area(unsigned long *map,
1159                                          unsigned long size,
1160                                          unsigned long start,
1161                                          unsigned long nr,
1162                                          unsigned long align_mask,
1163                                          unsigned long *largest_off,
1164                                          unsigned long *largest_bits)
1165 {
1166         unsigned long index, end, i, area_off, area_bits;
1167 again:
1168         index = find_next_zero_bit(map, size, start);
1169
1170         /* Align allocation */
1171         index = __ALIGN_MASK(index, align_mask);
1172         area_off = index;
1173
1174         end = index + nr;
1175         if (end > size)
1176                 return end;
1177         i = find_next_bit(map, end, index);
1178         if (i < end) {
1179                 area_bits = i - area_off;
1180                 /* remember largest unused area with best alignment */
1181                 if (area_bits > *largest_bits ||
1182                     (area_bits == *largest_bits && *largest_off &&
1183                      (!area_off || __ffs(area_off) > __ffs(*largest_off)))) {
1184                         *largest_off = area_off;
1185                         *largest_bits = area_bits;
1186                 }
1187
1188                 start = i + 1;
1189                 goto again;
1190         }
1191         return index;
1192 }
1193
1194 /**
1195  * pcpu_alloc_area - allocates an area from a pcpu_chunk
1196  * @chunk: chunk of interest
1197  * @alloc_bits: size of request in allocation units
1198  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1199  * @start: bit_off to start searching
1200  *
1201  * This function takes in a @start offset to begin searching to fit an
1202  * allocation of @alloc_bits with alignment @align.  It needs to scan
1203  * the allocation map because if it fits within the block's contig hint,
1204  * @start will be block->first_free. This is an attempt to fill the
1205  * allocation prior to breaking the contig hint.  The allocation and
1206  * boundary maps are updated accordingly if it confirms a valid
1207  * free area.
1208  *
1209  * RETURNS:
1210  * Allocated addr offset in @chunk on success.
1211  * -1 if no matching area is found.
1212  */
1213 static int pcpu_alloc_area(struct pcpu_chunk *chunk, int alloc_bits,
1214                            size_t align, int start)
1215 {
1216         struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
1217         size_t align_mask = (align) ? (align - 1) : 0;
1218         unsigned long area_off = 0, area_bits = 0;
1219         int bit_off, end, oslot;
1220
1221         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1222
1223         oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
1224
1225         /*
1226          * Search to find a fit.
1227          */
1228         end = min_t(int, start + alloc_bits + PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS,
1229                     pcpu_chunk_map_bits(chunk));
1230         bit_off = pcpu_find_zero_area(chunk->alloc_map, end, start, alloc_bits,
1231                                       align_mask, &area_off, &area_bits);
1232         if (bit_off >= end)
1233                 return -1;
1234
1235         if (area_bits)
1236                 pcpu_block_update_scan(chunk, area_off, area_bits);
1237
1238         /* update alloc map */
1239         bitmap_set(chunk->alloc_map, bit_off, alloc_bits);
1240
1241         /* update boundary map */
1242         set_bit(bit_off, chunk->bound_map);
1243         bitmap_clear(chunk->bound_map, bit_off + 1, alloc_bits - 1);
1244         set_bit(bit_off + alloc_bits, chunk->bound_map);
1245
1246         chunk->free_bytes -= alloc_bits * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1247
1248         /* update first free bit */
1249         if (bit_off == chunk_md->first_free)
1250                 chunk_md->first_free = find_next_zero_bit(
1251                                         chunk->alloc_map,
1252                                         pcpu_chunk_map_bits(chunk),
1253                                         bit_off + alloc_bits);
1254
1255         pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, bit_off, alloc_bits);
1256
1257         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
1258
1259         return bit_off * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1260 }
1261
1262 /**
1263  * pcpu_free_area - frees the corresponding offset
1264  * @chunk: chunk of interest
1265  * @off: addr offset into chunk
1266  *
1267  * This function determines the size of an allocation to free using
1268  * the boundary bitmap and clears the allocation map.
1269  *
1270  * RETURNS:
1271  * Number of freed bytes.
1272  */
1273 static int pcpu_free_area(struct pcpu_chunk *chunk, int off)
1274 {
1275         struct pcpu_block_md *chunk_md = &chunk->chunk_md;
1276         int bit_off, bits, end, oslot, freed;
1277
1278         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1279         pcpu_stats_area_dealloc(chunk);
1280
1281         oslot = pcpu_chunk_slot(chunk);
1282
1283         bit_off = off / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1284
1285         /* find end index */
1286         end = find_next_bit(chunk->bound_map, pcpu_chunk_map_bits(chunk),
1287                             bit_off + 1);
1288         bits = end - bit_off;
1289         bitmap_clear(chunk->alloc_map, bit_off, bits);
1290
1291         freed = bits * PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1292
1293         /* update metadata */
1294         chunk->free_bytes += freed;
1295
1296         /* update first free bit */
1297         chunk_md->first_free = min(chunk_md->first_free, bit_off);
1298
1299         pcpu_block_update_hint_free(chunk, bit_off, bits);
1300
1301         pcpu_chunk_relocate(chunk, oslot);
1302
1303         return freed;
1304 }
1305
1306 static void pcpu_init_md_block(struct pcpu_block_md *block, int nr_bits)
1307 {
1308         block->scan_hint = 0;
1309         block->contig_hint = nr_bits;
1310         block->left_free = nr_bits;
1311         block->right_free = nr_bits;
1312         block->first_free = 0;
1313         block->nr_bits = nr_bits;
1314 }
1315
1316 static void pcpu_init_md_blocks(struct pcpu_chunk *chunk)
1317 {
1318         struct pcpu_block_md *md_block;
1319
1320         /* init the chunk's block */
1321         pcpu_init_md_block(&chunk->chunk_md, pcpu_chunk_map_bits(chunk));
1322
1323         for (md_block = chunk->md_blocks;
1324              md_block != chunk->md_blocks + pcpu_chunk_nr_blocks(chunk);
1325              md_block++)
1326                 pcpu_init_md_block(md_block, PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS);
1327 }
1328
1329 /**
1330  * pcpu_alloc_first_chunk - creates chunks that serve the first chunk
1331  * @tmp_addr: the start of the region served
1332  * @map_size: size of the region served
1333  *
1334  * This is responsible for creating the chunks that serve the first chunk.  The
1335  * base_addr is page aligned down of @tmp_addr while the region end is page
1336  * aligned up.  Offsets are kept track of to determine the region served. All
1337  * this is done to appease the bitmap allocator in avoiding partial blocks.
1338  *
1339  * RETURNS:
1340  * Chunk serving the region at @tmp_addr of @map_size.
1341  */
1342 static struct pcpu_chunk * __init pcpu_alloc_first_chunk(unsigned long tmp_addr,
1343                                                          int map_size)
1344 {
1345         struct pcpu_chunk *chunk;
1346         unsigned long aligned_addr, lcm_align;
1347         int start_offset, offset_bits, region_size, region_bits;
1348         size_t alloc_size;
1349
1350         /* region calculations */
1351         aligned_addr = tmp_addr & PAGE_MASK;
1352
1353         start_offset = tmp_addr - aligned_addr;
1354
1355         /*
1356          * Align the end of the region with the LCM of PAGE_SIZE and
1357          * PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE.  One of these constants is a multiple of
1358          * the other.
1359          */
1360         lcm_align = lcm(PAGE_SIZE, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE);
1361         region_size = ALIGN(start_offset + map_size, lcm_align);
1362
1363         /* allocate chunk */
1364         alloc_size = struct_size(chunk, populated,
1365                                  BITS_TO_LONGS(region_size >> PAGE_SHIFT));
1366         chunk = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1367         if (!chunk)
1368                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1369                       alloc_size);
1370
1371         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
1372
1373         chunk->base_addr = (void *)aligned_addr;
1374         chunk->start_offset = start_offset;
1375         chunk->end_offset = region_size - chunk->start_offset - map_size;
1376
1377         chunk->nr_pages = region_size >> PAGE_SHIFT;
1378         region_bits = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
1379
1380         alloc_size = BITS_TO_LONGS(region_bits) * sizeof(chunk->alloc_map[0]);
1381         chunk->alloc_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1382         if (!chunk->alloc_map)
1383                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1384                       alloc_size);
1385
1386         alloc_size =
1387                 BITS_TO_LONGS(region_bits + 1) * sizeof(chunk->bound_map[0]);
1388         chunk->bound_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1389         if (!chunk->bound_map)
1390                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1391                       alloc_size);
1392
1393         alloc_size = pcpu_chunk_nr_blocks(chunk) * sizeof(chunk->md_blocks[0]);
1394         chunk->md_blocks = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
1395         if (!chunk->md_blocks)
1396                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
1397                       alloc_size);
1398
1399 #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
1400         /* first chunk is free to use */
1401         chunk->obj_cgroups = NULL;
1402 #endif
1403         pcpu_init_md_blocks(chunk);
1404
1405         /* manage populated page bitmap */
1406         chunk->immutable = true;
1407         bitmap_fill(chunk->populated, chunk->nr_pages);
1408         chunk->nr_populated = chunk->nr_pages;
1409         chunk->nr_empty_pop_pages = chunk->nr_pages;
1410
1411         chunk->free_bytes = map_size;
1412
1413         if (chunk->start_offset) {
1414                 /* hide the beginning of the bitmap */
1415                 offset_bits = chunk->start_offset / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1416                 bitmap_set(chunk->alloc_map, 0, offset_bits);
1417                 set_bit(0, chunk->bound_map);
1418                 set_bit(offset_bits, chunk->bound_map);
1419
1420                 chunk->chunk_md.first_free = offset_bits;
1421
1422                 pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, 0, offset_bits);
1423         }
1424
1425         if (chunk->end_offset) {
1426                 /* hide the end of the bitmap */
1427                 offset_bits = chunk->end_offset / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1428                 bitmap_set(chunk->alloc_map,
1429                            pcpu_chunk_map_bits(chunk) - offset_bits,
1430                            offset_bits);
1431                 set_bit((start_offset + map_size) / PCPU_MIN_ALLOC_SIZE,
1432                         chunk->bound_map);
1433                 set_bit(region_bits, chunk->bound_map);
1434
1435                 pcpu_block_update_hint_alloc(chunk, pcpu_chunk_map_bits(chunk)
1436                                              - offset_bits, offset_bits);
1437         }
1438
1439         return chunk;
1440 }
1441
1442 static struct pcpu_chunk *pcpu_alloc_chunk(gfp_t gfp)
1443 {
1444         struct pcpu_chunk *chunk;
1445         int region_bits;
1446
1447         chunk = pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_struct_size, gfp);
1448         if (!chunk)
1449                 return NULL;
1450
1451         INIT_LIST_HEAD(&chunk->list);
1452         chunk->nr_pages = pcpu_unit_pages;
1453         region_bits = pcpu_chunk_map_bits(chunk);
1454
1455         chunk->alloc_map = pcpu_mem_zalloc(BITS_TO_LONGS(region_bits) *
1456                                            sizeof(chunk->alloc_map[0]), gfp);
1457         if (!chunk->alloc_map)
1458                 goto alloc_map_fail;
1459
1460         chunk->bound_map = pcpu_mem_zalloc(BITS_TO_LONGS(region_bits + 1) *
1461                                            sizeof(chunk->bound_map[0]), gfp);
1462         if (!chunk->bound_map)
1463                 goto bound_map_fail;
1464
1465         chunk->md_blocks = pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_nr_blocks(chunk) *
1466                                            sizeof(chunk->md_blocks[0]), gfp);
1467         if (!chunk->md_blocks)
1468                 goto md_blocks_fail;
1469
1470 #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
1471         if (!mem_cgroup_kmem_disabled()) {
1472                 chunk->obj_cgroups =
1473                         pcpu_mem_zalloc(pcpu_chunk_map_bits(chunk) *
1474                                         sizeof(struct obj_cgroup *), gfp);
1475                 if (!chunk->obj_cgroups)
1476                         goto objcg_fail;
1477         }
1478 #endif
1479
1480         pcpu_init_md_blocks(chunk);
1481
1482         /* init metadata */
1483         chunk->free_bytes = chunk->nr_pages * PAGE_SIZE;
1484
1485         return chunk;
1486
1487 #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
1488 objcg_fail:
1489         pcpu_mem_free(chunk->md_blocks);
1490 #endif
1491 md_blocks_fail:
1492         pcpu_mem_free(chunk->bound_map);
1493 bound_map_fail:
1494         pcpu_mem_free(chunk->alloc_map);
1495 alloc_map_fail:
1496         pcpu_mem_free(chunk);
1497
1498         return NULL;
1499 }
1500
1501 static void pcpu_free_chunk(struct pcpu_chunk *chunk)
1502 {
1503         if (!chunk)
1504                 return;
1505 #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
1506         pcpu_mem_free(chunk->obj_cgroups);
1507 #endif
1508         pcpu_mem_free(chunk->md_blocks);
1509         pcpu_mem_free(chunk->bound_map);
1510         pcpu_mem_free(chunk->alloc_map);
1511         pcpu_mem_free(chunk);
1512 }
1513
1514 /**
1515  * pcpu_chunk_populated - post-population bookkeeping
1516  * @chunk: pcpu_chunk which got populated
1517  * @page_start: the start page
1518  * @page_end: the end page
1519  *
1520  * Pages in [@page_start,@page_end) have been populated to @chunk.  Update
1521  * the bookkeeping information accordingly.  Must be called after each
1522  * successful population.
1523  *
1524  * If this is @for_alloc, do not increment pcpu_nr_empty_pop_pages because it
1525  * is to serve an allocation in that area.
1526  */
1527 static void pcpu_chunk_populated(struct pcpu_chunk *chunk, int page_start,
1528                                  int page_end)
1529 {
1530         int nr = page_end - page_start;
1531
1532         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1533
1534         bitmap_set(chunk->populated, page_start, nr);
1535         chunk->nr_populated += nr;
1536         pcpu_nr_populated += nr;
1537
1538         pcpu_update_empty_pages(chunk, nr);
1539 }
1540
1541 /**
1542  * pcpu_chunk_depopulated - post-depopulation bookkeeping
1543  * @chunk: pcpu_chunk which got depopulated
1544  * @page_start: the start page
1545  * @page_end: the end page
1546  *
1547  * Pages in [@page_start,@page_end) have been depopulated from @chunk.
1548  * Update the bookkeeping information accordingly.  Must be called after
1549  * each successful depopulation.
1550  */
1551 static void pcpu_chunk_depopulated(struct pcpu_chunk *chunk,
1552                                    int page_start, int page_end)
1553 {
1554         int nr = page_end - page_start;
1555
1556         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1557
1558         bitmap_clear(chunk->populated, page_start, nr);
1559         chunk->nr_populated -= nr;
1560         pcpu_nr_populated -= nr;
1561
1562         pcpu_update_empty_pages(chunk, -nr);
1563 }
1564
1565 /*
1566  * Chunk management implementation.
1567  *
1568  * To allow different implementations, chunk alloc/free and
1569  * [de]population are implemented in a separate file which is pulled
1570  * into this file and compiled together.  The following functions
1571  * should be implemented.
1572  *
1573  * pcpu_populate_chunk          - populate the specified range of a chunk
1574  * pcpu_depopulate_chunk        - depopulate the specified range of a chunk
1575  * pcpu_post_unmap_tlb_flush    - flush tlb for the specified range of a chunk
1576  * pcpu_create_chunk            - create a new chunk
1577  * pcpu_destroy_chunk           - destroy a chunk, always preceded by full depop
1578  * pcpu_addr_to_page            - translate address to physical address
1579  * pcpu_verify_alloc_info       - check alloc_info is acceptable during init
1580  */
1581 static int pcpu_populate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk,
1582                                int page_start, int page_end, gfp_t gfp);
1583 static void pcpu_depopulate_chunk(struct pcpu_chunk *chunk,
1584                                   int page_start, int page_end);
1585 static void pcpu_post_unmap_tlb_flush(struct pcpu_chunk *chunk,
1586                                       int page_start, int page_end);
1587 static struct pcpu_chunk *pcpu_create_chunk(gfp_t gfp);
1588 static void pcpu_destroy_chunk(struct pcpu_chunk *chunk);
1589 static struct page *pcpu_addr_to_page(void *addr);
1590 static int __init pcpu_verify_alloc_info(const struct pcpu_alloc_info *ai);
1591
1592 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_KM
1593 #include "percpu-km.c"
1594 #else
1595 #include "percpu-vm.c"
1596 #endif
1597
1598 /**
1599  * pcpu_chunk_addr_search - determine chunk containing specified address
1600  * @addr: address for which the chunk needs to be determined.
1601  *
1602  * This is an internal function that handles all but static allocations.
1603  * Static percpu address values should never be passed into the allocator.
1604  *
1605  * RETURNS:
1606  * The address of the found chunk.
1607  */
1608 static struct pcpu_chunk *pcpu_chunk_addr_search(void *addr)
1609 {
1610         /* is it in the dynamic region (first chunk)? */
1611         if (pcpu_addr_in_chunk(pcpu_first_chunk, addr))
1612                 return pcpu_first_chunk;
1613
1614         /* is it in the reserved region? */
1615         if (pcpu_addr_in_chunk(pcpu_reserved_chunk, addr))
1616                 return pcpu_reserved_chunk;
1617
1618         /*
1619          * The address is relative to unit0 which might be unused and
1620          * thus unmapped.  Offset the address to the unit space of the
1621          * current processor before looking it up in the vmalloc
1622          * space.  Note that any possible cpu id can be used here, so
1623          * there's no need to worry about preemption or cpu hotplug.
1624          */
1625         addr += pcpu_unit_offsets[raw_smp_processor_id()];
1626         return pcpu_get_page_chunk(pcpu_addr_to_page(addr));
1627 }
1628
1629 #ifdef CONFIG_MEMCG_KMEM
1630 static bool pcpu_memcg_pre_alloc_hook(size_t size, gfp_t gfp,
1631                                       struct obj_cgroup **objcgp)
1632 {
1633         struct obj_cgroup *objcg;
1634
1635         if (!memcg_kmem_enabled() || !(gfp & __GFP_ACCOUNT))
1636                 return true;
1637
1638         objcg = get_obj_cgroup_from_current();
1639         if (!objcg)
1640                 return true;
1641
1642         if (obj_cgroup_charge(objcg, gfp, size * num_possible_cpus())) {
1643                 obj_cgroup_put(objcg);
1644                 return false;
1645         }
1646
1647         *objcgp = objcg;
1648         return true;
1649 }
1650
1651 static void pcpu_memcg_post_alloc_hook(struct obj_cgroup *objcg,
1652                                        struct pcpu_chunk *chunk, int off,
1653                                        size_t size)
1654 {
1655         if (!objcg)
1656                 return;
1657
1658         if (likely(chunk && chunk->obj_cgroups)) {
1659                 chunk->obj_cgroups[off >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT] = objcg;
1660
1661                 rcu_read_lock();
1662                 mod_memcg_state(obj_cgroup_memcg(objcg), MEMCG_PERCPU_B,
1663                                 size * num_possible_cpus());
1664                 rcu_read_unlock();
1665         } else {
1666                 obj_cgroup_uncharge(objcg, size * num_possible_cpus());
1667                 obj_cgroup_put(objcg);
1668         }
1669 }
1670
1671 static void pcpu_memcg_free_hook(struct pcpu_chunk *chunk, int off, size_t size)
1672 {
1673         struct obj_cgroup *objcg;
1674
1675         if (unlikely(!chunk->obj_cgroups))
1676                 return;
1677
1678         objcg = chunk->obj_cgroups[off >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT];
1679         if (!objcg)
1680                 return;
1681         chunk->obj_cgroups[off >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT] = NULL;
1682
1683         obj_cgroup_uncharge(objcg, size * num_possible_cpus());
1684
1685         rcu_read_lock();
1686         mod_memcg_state(obj_cgroup_memcg(objcg), MEMCG_PERCPU_B,
1687                         -(size * num_possible_cpus()));
1688         rcu_read_unlock();
1689
1690         obj_cgroup_put(objcg);
1691 }
1692
1693 #else /* CONFIG_MEMCG_KMEM */
1694 static bool
1695 pcpu_memcg_pre_alloc_hook(size_t size, gfp_t gfp, struct obj_cgroup **objcgp)
1696 {
1697         return true;
1698 }
1699
1700 static void pcpu_memcg_post_alloc_hook(struct obj_cgroup *objcg,
1701                                        struct pcpu_chunk *chunk, int off,
1702                                        size_t size)
1703 {
1704 }
1705
1706 static void pcpu_memcg_free_hook(struct pcpu_chunk *chunk, int off, size_t size)
1707 {
1708 }
1709 #endif /* CONFIG_MEMCG_KMEM */
1710
1711 /**
1712  * pcpu_alloc - the percpu allocator
1713  * @size: size of area to allocate in bytes
1714  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1715  * @reserved: allocate from the reserved chunk if available
1716  * @gfp: allocation flags
1717  *
1718  * Allocate percpu area of @size bytes aligned at @align.  If @gfp doesn't
1719  * contain %GFP_KERNEL, the allocation is atomic. If @gfp has __GFP_NOWARN
1720  * then no warning will be triggered on invalid or failed allocation
1721  * requests.
1722  *
1723  * RETURNS:
1724  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1725  */
1726 static void __percpu *pcpu_alloc(size_t size, size_t align, bool reserved,
1727                                  gfp_t gfp)
1728 {
1729         gfp_t pcpu_gfp;
1730         bool is_atomic;
1731         bool do_warn;
1732         struct obj_cgroup *objcg = NULL;
1733         static int warn_limit = 10;
1734         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
1735         const char *err;
1736         int slot, off, cpu, ret;
1737         unsigned long flags;
1738         void __percpu *ptr;
1739         size_t bits, bit_align;
1740
1741         gfp = current_gfp_context(gfp);
1742         /* whitelisted flags that can be passed to the backing allocators */
1743         pcpu_gfp = gfp & (GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY | __GFP_NOWARN);
1744         is_atomic = (gfp & GFP_KERNEL) != GFP_KERNEL;
1745         do_warn = !(gfp & __GFP_NOWARN);
1746
1747         /*
1748          * There is now a minimum allocation size of PCPU_MIN_ALLOC_SIZE,
1749          * therefore alignment must be a minimum of that many bytes.
1750          * An allocation may have internal fragmentation from rounding up
1751          * of up to PCPU_MIN_ALLOC_SIZE - 1 bytes.
1752          */
1753         if (unlikely(align < PCPU_MIN_ALLOC_SIZE))
1754                 align = PCPU_MIN_ALLOC_SIZE;
1755
1756         size = ALIGN(size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
1757         bits = size >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT;
1758         bit_align = align >> PCPU_MIN_ALLOC_SHIFT;
1759
1760         if (unlikely(!size || size > PCPU_MIN_UNIT_SIZE || align > PAGE_SIZE ||
1761                      !is_power_of_2(align))) {
1762                 WARN(do_warn, "illegal size (%zu) or align (%zu) for percpu allocation\n",
1763                      size, align);
1764                 return NULL;
1765         }
1766
1767         if (unlikely(!pcpu_memcg_pre_alloc_hook(size, gfp, &objcg)))
1768                 return NULL;
1769
1770         if (!is_atomic) {
1771                 /*
1772                  * pcpu_balance_workfn() allocates memory under this mutex,
1773                  * and it may wait for memory reclaim. Allow current task
1774                  * to become OOM victim, in case of memory pressure.
1775                  */
1776                 if (gfp & __GFP_NOFAIL) {
1777                         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
1778                 } else if (mutex_lock_killable(&pcpu_alloc_mutex)) {
1779                         pcpu_memcg_post_alloc_hook(objcg, NULL, 0, size);
1780                         return NULL;
1781                 }
1782         }
1783
1784         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1785
1786         /* serve reserved allocations from the reserved chunk if available */
1787         if (reserved && pcpu_reserved_chunk) {
1788                 chunk = pcpu_reserved_chunk;
1789
1790                 off = pcpu_find_block_fit(chunk, bits, bit_align, is_atomic);
1791                 if (off < 0) {
1792                         err = "alloc from reserved chunk failed";
1793                         goto fail_unlock;
1794                 }
1795
1796                 off = pcpu_alloc_area(chunk, bits, bit_align, off);
1797                 if (off >= 0)
1798                         goto area_found;
1799
1800                 err = "alloc from reserved chunk failed";
1801                 goto fail_unlock;
1802         }
1803
1804 restart:
1805         /* search through normal chunks */
1806         for (slot = pcpu_size_to_slot(size); slot <= pcpu_free_slot; slot++) {
1807                 list_for_each_entry_safe(chunk, next, &pcpu_chunk_lists[slot],
1808                                          list) {
1809                         off = pcpu_find_block_fit(chunk, bits, bit_align,
1810                                                   is_atomic);
1811                         if (off < 0) {
1812                                 if (slot < PCPU_SLOT_FAIL_THRESHOLD)
1813                                         pcpu_chunk_move(chunk, 0);
1814                                 continue;
1815                         }
1816
1817                         off = pcpu_alloc_area(chunk, bits, bit_align, off);
1818                         if (off >= 0) {
1819                                 pcpu_reintegrate_chunk(chunk);
1820                                 goto area_found;
1821                         }
1822                 }
1823         }
1824
1825         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1826
1827         /*
1828          * No space left.  Create a new chunk.  We don't want multiple
1829          * tasks to create chunks simultaneously.  Serialize and create iff
1830          * there's still no empty chunk after grabbing the mutex.
1831          */
1832         if (is_atomic) {
1833                 err = "atomic alloc failed, no space left";
1834                 goto fail;
1835         }
1836
1837         if (list_empty(&pcpu_chunk_lists[pcpu_free_slot])) {
1838                 chunk = pcpu_create_chunk(pcpu_gfp);
1839                 if (!chunk) {
1840                         err = "failed to allocate new chunk";
1841                         goto fail;
1842                 }
1843
1844                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1845                 pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
1846         } else {
1847                 spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1848         }
1849
1850         goto restart;
1851
1852 area_found:
1853         pcpu_stats_area_alloc(chunk, size);
1854         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1855
1856         /* populate if not all pages are already there */
1857         if (!is_atomic) {
1858                 unsigned int page_start, page_end, rs, re;
1859
1860                 page_start = PFN_DOWN(off);
1861                 page_end = PFN_UP(off + size);
1862
1863                 bitmap_for_each_clear_region(chunk->populated, rs, re,
1864                                              page_start, page_end) {
1865                         WARN_ON(chunk->immutable);
1866
1867                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, re, pcpu_gfp);
1868
1869                         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
1870                         if (ret) {
1871                                 pcpu_free_area(chunk, off);
1872                                 err = "failed to populate";
1873                                 goto fail_unlock;
1874                         }
1875                         pcpu_chunk_populated(chunk, rs, re);
1876                         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1877                 }
1878
1879                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1880         }
1881
1882         if (pcpu_nr_empty_pop_pages < PCPU_EMPTY_POP_PAGES_LOW)
1883                 pcpu_schedule_balance_work();
1884
1885         /* clear the areas and return address relative to base address */
1886         for_each_possible_cpu(cpu)
1887                 memset((void *)pcpu_chunk_addr(chunk, cpu, 0) + off, 0, size);
1888
1889         ptr = __addr_to_pcpu_ptr(chunk->base_addr + off);
1890         kmemleak_alloc_percpu(ptr, size, gfp);
1891
1892         trace_percpu_alloc_percpu(reserved, is_atomic, size, align,
1893                         chunk->base_addr, off, ptr);
1894
1895         pcpu_memcg_post_alloc_hook(objcg, chunk, off, size);
1896
1897         return ptr;
1898
1899 fail_unlock:
1900         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
1901 fail:
1902         trace_percpu_alloc_percpu_fail(reserved, is_atomic, size, align);
1903
1904         if (!is_atomic && do_warn && warn_limit) {
1905                 pr_warn("allocation failed, size=%zu align=%zu atomic=%d, %s\n",
1906                         size, align, is_atomic, err);
1907                 dump_stack();
1908                 if (!--warn_limit)
1909                         pr_info("limit reached, disable warning\n");
1910         }
1911         if (is_atomic) {
1912                 /* see the flag handling in pcpu_balance_workfn() */
1913                 pcpu_atomic_alloc_failed = true;
1914                 pcpu_schedule_balance_work();
1915         } else {
1916                 mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
1917         }
1918
1919         pcpu_memcg_post_alloc_hook(objcg, NULL, 0, size);
1920
1921         return NULL;
1922 }
1923
1924 /**
1925  * __alloc_percpu_gfp - allocate dynamic percpu area
1926  * @size: size of area to allocate in bytes
1927  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1928  * @gfp: allocation flags
1929  *
1930  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align.  If
1931  * @gfp doesn't contain %GFP_KERNEL, the allocation doesn't block and can
1932  * be called from any context but is a lot more likely to fail. If @gfp
1933  * has __GFP_NOWARN then no warning will be triggered on invalid or failed
1934  * allocation requests.
1935  *
1936  * RETURNS:
1937  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1938  */
1939 void __percpu *__alloc_percpu_gfp(size_t size, size_t align, gfp_t gfp)
1940 {
1941         return pcpu_alloc(size, align, false, gfp);
1942 }
1943 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu_gfp);
1944
1945 /**
1946  * __alloc_percpu - allocate dynamic percpu area
1947  * @size: size of area to allocate in bytes
1948  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1949  *
1950  * Equivalent to __alloc_percpu_gfp(size, align, %GFP_KERNEL).
1951  */
1952 void __percpu *__alloc_percpu(size_t size, size_t align)
1953 {
1954         return pcpu_alloc(size, align, false, GFP_KERNEL);
1955 }
1956 EXPORT_SYMBOL_GPL(__alloc_percpu);
1957
1958 /**
1959  * __alloc_reserved_percpu - allocate reserved percpu area
1960  * @size: size of area to allocate in bytes
1961  * @align: alignment of area (max PAGE_SIZE)
1962  *
1963  * Allocate zero-filled percpu area of @size bytes aligned at @align
1964  * from reserved percpu area if arch has set it up; otherwise,
1965  * allocation is served from the same dynamic area.  Might sleep.
1966  * Might trigger writeouts.
1967  *
1968  * CONTEXT:
1969  * Does GFP_KERNEL allocation.
1970  *
1971  * RETURNS:
1972  * Percpu pointer to the allocated area on success, NULL on failure.
1973  */
1974 void __percpu *__alloc_reserved_percpu(size_t size, size_t align)
1975 {
1976         return pcpu_alloc(size, align, true, GFP_KERNEL);
1977 }
1978
1979 /**
1980  * pcpu_balance_free - manage the amount of free chunks
1981  * @empty_only: free chunks only if there are no populated pages
1982  *
1983  * If empty_only is %false, reclaim all fully free chunks regardless of the
1984  * number of populated pages.  Otherwise, only reclaim chunks that have no
1985  * populated pages.
1986  *
1987  * CONTEXT:
1988  * pcpu_lock (can be dropped temporarily)
1989  */
1990 static void pcpu_balance_free(bool empty_only)
1991 {
1992         LIST_HEAD(to_free);
1993         struct list_head *free_head = &pcpu_chunk_lists[pcpu_free_slot];
1994         struct pcpu_chunk *chunk, *next;
1995
1996         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
1997
1998         /*
1999          * There's no reason to keep around multiple unused chunks and VM
2000          * areas can be scarce.  Destroy all free chunks except for one.
2001          */
2002         list_for_each_entry_safe(chunk, next, free_head, list) {
2003                 WARN_ON(chunk->immutable);
2004
2005                 /* spare the first one */
2006                 if (chunk == list_first_entry(free_head, struct pcpu_chunk, list))
2007                         continue;
2008
2009                 if (!empty_only || chunk->nr_empty_pop_pages == 0)
2010                         list_move(&chunk->list, &to_free);
2011         }
2012
2013         if (list_empty(&to_free))
2014                 return;
2015
2016         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2017         list_for_each_entry_safe(chunk, next, &to_free, list) {
2018                 unsigned int rs, re;
2019
2020                 bitmap_for_each_set_region(chunk->populated, rs, re, 0,
2021                                            chunk->nr_pages) {
2022                         pcpu_depopulate_chunk(chunk, rs, re);
2023                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2024                         pcpu_chunk_depopulated(chunk, rs, re);
2025                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2026                 }
2027                 pcpu_destroy_chunk(chunk);
2028                 cond_resched();
2029         }
2030         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2031 }
2032
2033 /**
2034  * pcpu_balance_populated - manage the amount of populated pages
2035  *
2036  * Maintain a certain amount of populated pages to satisfy atomic allocations.
2037  * It is possible that this is called when physical memory is scarce causing
2038  * OOM killer to be triggered.  We should avoid doing so until an actual
2039  * allocation causes the failure as it is possible that requests can be
2040  * serviced from already backed regions.
2041  *
2042  * CONTEXT:
2043  * pcpu_lock (can be dropped temporarily)
2044  */
2045 static void pcpu_balance_populated(void)
2046 {
2047         /* gfp flags passed to underlying allocators */
2048         const gfp_t gfp = GFP_KERNEL | __GFP_NORETRY | __GFP_NOWARN;
2049         struct pcpu_chunk *chunk;
2050         int slot, nr_to_pop, ret;
2051
2052         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
2053
2054         /*
2055          * Ensure there are certain number of free populated pages for
2056          * atomic allocs.  Fill up from the most packed so that atomic
2057          * allocs don't increase fragmentation.  If atomic allocation
2058          * failed previously, always populate the maximum amount.  This
2059          * should prevent atomic allocs larger than PAGE_SIZE from keeping
2060          * failing indefinitely; however, large atomic allocs are not
2061          * something we support properly and can be highly unreliable and
2062          * inefficient.
2063          */
2064 retry_pop:
2065         if (pcpu_atomic_alloc_failed) {
2066                 nr_to_pop = PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH;
2067                 /* best effort anyway, don't worry about synchronization */
2068                 pcpu_atomic_alloc_failed = false;
2069         } else {
2070                 nr_to_pop = clamp(PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH -
2071                                   pcpu_nr_empty_pop_pages,
2072                                   0, PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH);
2073         }
2074
2075         for (slot = pcpu_size_to_slot(PAGE_SIZE); slot <= pcpu_free_slot; slot++) {
2076                 unsigned int nr_unpop = 0, rs, re;
2077
2078                 if (!nr_to_pop)
2079                         break;
2080
2081                 list_for_each_entry(chunk, &pcpu_chunk_lists[slot], list) {
2082                         nr_unpop = chunk->nr_pages - chunk->nr_populated;
2083                         if (nr_unpop)
2084                                 break;
2085                 }
2086
2087                 if (!nr_unpop)
2088                         continue;
2089
2090                 /* @chunk can't go away while pcpu_alloc_mutex is held */
2091                 bitmap_for_each_clear_region(chunk->populated, rs, re, 0,
2092                                              chunk->nr_pages) {
2093                         int nr = min_t(int, re - rs, nr_to_pop);
2094
2095                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2096                         ret = pcpu_populate_chunk(chunk, rs, rs + nr, gfp);
2097                         cond_resched();
2098                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2099                         if (!ret) {
2100                                 nr_to_pop -= nr;
2101                                 pcpu_chunk_populated(chunk, rs, rs + nr);
2102                         } else {
2103                                 nr_to_pop = 0;
2104                         }
2105
2106                         if (!nr_to_pop)
2107                                 break;
2108                 }
2109         }
2110
2111         if (nr_to_pop) {
2112                 /* ran out of chunks to populate, create a new one and retry */
2113                 spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2114                 chunk = pcpu_create_chunk(gfp);
2115                 cond_resched();
2116                 spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2117                 if (chunk) {
2118                         pcpu_chunk_relocate(chunk, -1);
2119                         goto retry_pop;
2120                 }
2121         }
2122 }
2123
2124 /**
2125  * pcpu_reclaim_populated - scan over to_depopulate chunks and free empty pages
2126  *
2127  * Scan over chunks in the depopulate list and try to release unused populated
2128  * pages back to the system.  Depopulated chunks are sidelined to prevent
2129  * repopulating these pages unless required.  Fully free chunks are reintegrated
2130  * and freed accordingly (1 is kept around).  If we drop below the empty
2131  * populated pages threshold, reintegrate the chunk if it has empty free pages.
2132  * Each chunk is scanned in the reverse order to keep populated pages close to
2133  * the beginning of the chunk.
2134  *
2135  * CONTEXT:
2136  * pcpu_lock (can be dropped temporarily)
2137  *
2138  */
2139 static void pcpu_reclaim_populated(void)
2140 {
2141         struct pcpu_chunk *chunk;
2142         struct pcpu_block_md *block;
2143         int freed_page_start, freed_page_end;
2144         int i, end;
2145         bool reintegrate;
2146
2147         lockdep_assert_held(&pcpu_lock);
2148
2149         /*
2150          * Once a chunk is isolated to the to_depopulate list, the chunk is no
2151          * longer discoverable to allocations whom may populate pages.  The only
2152          * other accessor is the free path which only returns area back to the
2153          * allocator not touching the populated bitmap.
2154          */
2155         while (!list_empty(&pcpu_chunk_lists[pcpu_to_depopulate_slot])) {
2156                 chunk = list_first_entry(&pcpu_chunk_lists[pcpu_to_depopulate_slot],
2157                                          struct pcpu_chunk, list);
2158                 WARN_ON(chunk->immutable);
2159
2160                 /*
2161                  * Scan chunk's pages in the reverse order to keep populated
2162                  * pages close to the beginning of the chunk.
2163                  */
2164                 freed_page_start = chunk->nr_pages;
2165                 freed_page_end = 0;
2166                 reintegrate = false;
2167                 for (i = chunk->nr_pages - 1, end = -1; i >= 0; i--) {
2168                         /* no more work to do */
2169                         if (chunk->nr_empty_pop_pages == 0)
2170                                 break;
2171
2172                         /* reintegrate chunk to prevent atomic alloc failures */
2173                         if (pcpu_nr_empty_pop_pages < PCPU_EMPTY_POP_PAGES_HIGH) {
2174                                 reintegrate = true;
2175                                 goto end_chunk;
2176                         }
2177
2178                         /*
2179                          * If the page is empty and populated, start or
2180                          * extend the (i, end) range.  If i == 0, decrease
2181                          * i and perform the depopulation to cover the last
2182                          * (first) page in the chunk.
2183                          */
2184                         block = chunk->md_blocks + i;
2185                         if (block->contig_hint == PCPU_BITMAP_BLOCK_BITS &&
2186                             test_bit(i, chunk->populated)) {
2187                                 if (end == -1)
2188                                         end = i;
2189                                 if (i > 0)
2190                                         continue;
2191                                 i--;
2192                         }
2193
2194                         /* depopulate if there is an active range */
2195                         if (end == -1)
2196                                 continue;
2197
2198                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2199                         pcpu_depopulate_chunk(chunk, i + 1, end + 1);
2200                         cond_resched();
2201                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2202
2203                         pcpu_chunk_depopulated(chunk, i + 1, end + 1);
2204                         freed_page_start = min(freed_page_start, i + 1);
2205                         freed_page_end = max(freed_page_end, end + 1);
2206
2207                         /* reset the range and continue */
2208                         end = -1;
2209                 }
2210
2211 end_chunk:
2212                 /* batch tlb flush per chunk to amortize cost */
2213                 if (freed_page_start < freed_page_end) {
2214                         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2215                         pcpu_post_unmap_tlb_flush(chunk,
2216                                                   freed_page_start,
2217                                                   freed_page_end);
2218                         cond_resched();
2219                         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2220                 }
2221
2222                 if (reintegrate || chunk->free_bytes == pcpu_unit_size)
2223                         pcpu_reintegrate_chunk(chunk);
2224                 else
2225                         list_move_tail(&chunk->list,
2226                                        &pcpu_chunk_lists[pcpu_sidelined_slot]);
2227         }
2228 }
2229
2230 /**
2231  * pcpu_balance_workfn - manage the amount of free chunks and populated pages
2232  * @work: unused
2233  *
2234  * For each chunk type, manage the number of fully free chunks and the number of
2235  * populated pages.  An important thing to consider is when pages are freed and
2236  * how they contribute to the global counts.
2237  */
2238 static void pcpu_balance_workfn(struct work_struct *work)
2239 {
2240         /*
2241          * pcpu_balance_free() is called twice because the first time we may
2242          * trim pages in the active pcpu_nr_empty_pop_pages which may cause us
2243          * to grow other chunks.  This then gives pcpu_reclaim_populated() time
2244          * to move fully free chunks to the active list to be freed if
2245          * appropriate.
2246          */
2247         mutex_lock(&pcpu_alloc_mutex);
2248         spin_lock_irq(&pcpu_lock);
2249
2250         pcpu_balance_free(false);
2251         pcpu_reclaim_populated();
2252         pcpu_balance_populated();
2253         pcpu_balance_free(true);
2254
2255         spin_unlock_irq(&pcpu_lock);
2256         mutex_unlock(&pcpu_alloc_mutex);
2257 }
2258
2259 /**
2260  * free_percpu - free percpu area
2261  * @ptr: pointer to area to free
2262  *
2263  * Free percpu area @ptr.
2264  *
2265  * CONTEXT:
2266  * Can be called from atomic context.
2267  */
2268 void free_percpu(void __percpu *ptr)
2269 {
2270         void *addr;
2271         struct pcpu_chunk *chunk;
2272         unsigned long flags;
2273         int size, off;
2274         bool need_balance = false;
2275
2276         if (!ptr)
2277                 return;
2278
2279         kmemleak_free_percpu(ptr);
2280
2281         addr = __pcpu_ptr_to_addr(ptr);
2282
2283         spin_lock_irqsave(&pcpu_lock, flags);
2284
2285         chunk = pcpu_chunk_addr_search(addr);
2286         off = addr - chunk->base_addr;
2287
2288         size = pcpu_free_area(chunk, off);
2289
2290         pcpu_memcg_free_hook(chunk, off, size);
2291
2292         /*
2293          * If there are more than one fully free chunks, wake up grim reaper.
2294          * If the chunk is isolated, it may be in the process of being
2295          * reclaimed.  Let reclaim manage cleaning up of that chunk.
2296          */
2297         if (!chunk->isolated && chunk->free_bytes == pcpu_unit_size) {
2298                 struct pcpu_chunk *pos;
2299
2300                 list_for_each_entry(pos, &pcpu_chunk_lists[pcpu_free_slot], list)
2301                         if (pos != chunk) {
2302                                 need_balance = true;
2303                                 break;
2304                         }
2305         } else if (pcpu_should_reclaim_chunk(chunk)) {
2306                 pcpu_isolate_chunk(chunk);
2307                 need_balance = true;
2308         }
2309
2310         trace_percpu_free_percpu(chunk->base_addr, off, ptr);
2311
2312         spin_unlock_irqrestore(&pcpu_lock, flags);
2313
2314         if (need_balance)
2315                 pcpu_schedule_balance_work();
2316 }
2317 EXPORT_SYMBOL_GPL(free_percpu);
2318
2319 bool __is_kernel_percpu_address(unsigned long addr, unsigned long *can_addr)
2320 {
2321 #ifdef CONFIG_SMP
2322         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
2323         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
2324         unsigned int cpu;
2325
2326         for_each_possible_cpu(cpu) {
2327                 void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
2328                 void *va = (void *)addr;
2329
2330                 if (va >= start && va < start + static_size) {
2331                         if (can_addr) {
2332                                 *can_addr = (unsigned long) (va - start);
2333                                 *can_addr += (unsigned long)
2334                                         per_cpu_ptr(base, get_boot_cpu_id());
2335                         }
2336                         return true;
2337                 }
2338         }
2339 #endif
2340         /* on UP, can't distinguish from other static vars, always false */
2341         return false;
2342 }
2343
2344 /**
2345  * is_kernel_percpu_address - test whether address is from static percpu area
2346  * @addr: address to test
2347  *
2348  * Test whether @addr belongs to in-kernel static percpu area.  Module
2349  * static percpu areas are not considered.  For those, use
2350  * is_module_percpu_address().
2351  *
2352  * RETURNS:
2353  * %true if @addr is from in-kernel static percpu area, %false otherwise.
2354  */
2355 bool is_kernel_percpu_address(unsigned long addr)
2356 {
2357         return __is_kernel_percpu_address(addr, NULL);
2358 }
2359
2360 /**
2361  * per_cpu_ptr_to_phys - convert translated percpu address to physical address
2362  * @addr: the address to be converted to physical address
2363  *
2364  * Given @addr which is dereferenceable address obtained via one of
2365  * percpu access macros, this function translates it into its physical
2366  * address.  The caller is responsible for ensuring @addr stays valid
2367  * until this function finishes.
2368  *
2369  * percpu allocator has special setup for the first chunk, which currently
2370  * supports either embedding in linear address space or vmalloc mapping,
2371  * and, from the second one, the backing allocator (currently either vm or
2372  * km) provides translation.
2373  *
2374  * The addr can be translated simply without checking if it falls into the
2375  * first chunk. But the current code reflects better how percpu allocator
2376  * actually works, and the verification can discover both bugs in percpu
2377  * allocator itself and per_cpu_ptr_to_phys() callers. So we keep current
2378  * code.
2379  *
2380  * RETURNS:
2381  * The physical address for @addr.
2382  */
2383 phys_addr_t per_cpu_ptr_to_phys(void *addr)
2384 {
2385         void __percpu *base = __addr_to_pcpu_ptr(pcpu_base_addr);
2386         bool in_first_chunk = false;
2387         unsigned long first_low, first_high;
2388         unsigned int cpu;
2389
2390         /*
2391          * The following test on unit_low/high isn't strictly
2392          * necessary but will speed up lookups of addresses which
2393          * aren't in the first chunk.
2394          *
2395          * The address check is against full chunk sizes.  pcpu_base_addr
2396          * points to the beginning of the first chunk including the
2397          * static region.  Assumes good intent as the first chunk may
2398          * not be full (ie. < pcpu_unit_pages in size).
2399          */
2400         first_low = (unsigned long)pcpu_base_addr +
2401                     pcpu_unit_page_offset(pcpu_low_unit_cpu, 0);
2402         first_high = (unsigned long)pcpu_base_addr +
2403                      pcpu_unit_page_offset(pcpu_high_unit_cpu, pcpu_unit_pages);
2404         if ((unsigned long)addr >= first_low &&
2405             (unsigned long)addr < first_high) {
2406                 for_each_possible_cpu(cpu) {
2407                         void *start = per_cpu_ptr(base, cpu);
2408
2409                         if (addr >= start && addr < start + pcpu_unit_size) {
2410                                 in_first_chunk = true;
2411                                 break;
2412                         }
2413                 }
2414         }
2415
2416         if (in_first_chunk) {
2417                 if (!is_vmalloc_addr(addr))
2418                         return __pa(addr);
2419                 else
2420                         return page_to_phys(vmalloc_to_page(addr)) +
2421                                offset_in_page(addr);
2422         } else
2423                 return page_to_phys(pcpu_addr_to_page(addr)) +
2424                        offset_in_page(addr);
2425 }
2426
2427 /**
2428  * pcpu_alloc_alloc_info - allocate percpu allocation info
2429  * @nr_groups: the number of groups
2430  * @nr_units: the number of units
2431  *
2432  * Allocate ai which is large enough for @nr_groups groups containing
2433  * @nr_units units.  The returned ai's groups[0].cpu_map points to the
2434  * cpu_map array which is long enough for @nr_units and filled with
2435  * NR_CPUS.  It's the caller's responsibility to initialize cpu_map
2436  * pointer of other groups.
2437  *
2438  * RETURNS:
2439  * Pointer to the allocated pcpu_alloc_info on success, NULL on
2440  * failure.
2441  */
2442 struct pcpu_alloc_info * __init pcpu_alloc_alloc_info(int nr_groups,
2443                                                       int nr_units)
2444 {
2445         struct pcpu_alloc_info *ai;
2446         size_t base_size, ai_size;
2447         void *ptr;
2448         int unit;
2449
2450         base_size = ALIGN(struct_size(ai, groups, nr_groups),
2451                           __alignof__(ai->groups[0].cpu_map[0]));
2452         ai_size = base_size + nr_units * sizeof(ai->groups[0].cpu_map[0]);
2453
2454         ptr = memblock_alloc(PFN_ALIGN(ai_size), PAGE_SIZE);
2455         if (!ptr)
2456                 return NULL;
2457         ai = ptr;
2458         ptr += base_size;
2459
2460         ai->groups[0].cpu_map = ptr;
2461
2462         for (unit = 0; unit < nr_units; unit++)
2463                 ai->groups[0].cpu_map[unit] = NR_CPUS;
2464
2465         ai->nr_groups = nr_groups;
2466         ai->__ai_size = PFN_ALIGN(ai_size);
2467
2468         return ai;
2469 }
2470
2471 /**
2472  * pcpu_free_alloc_info - free percpu allocation info
2473  * @ai: pcpu_alloc_info to free
2474  *
2475  * Free @ai which was allocated by pcpu_alloc_alloc_info().
2476  */
2477 void __init pcpu_free_alloc_info(struct pcpu_alloc_info *ai)
2478 {
2479         memblock_free_early(__pa(ai), ai->__ai_size);
2480 }
2481
2482 /**
2483  * pcpu_dump_alloc_info - print out information about pcpu_alloc_info
2484  * @lvl: loglevel
2485  * @ai: allocation info to dump
2486  *
2487  * Print out information about @ai using loglevel @lvl.
2488  */
2489 static void pcpu_dump_alloc_info(const char *lvl,
2490                                  const struct pcpu_alloc_info *ai)
2491 {
2492         int group_width = 1, cpu_width = 1, width;
2493         char empty_str[] = "--------";
2494         int alloc = 0, alloc_end = 0;
2495         int group, v;
2496         int upa, apl;   /* units per alloc, allocs per line */
2497
2498         v = ai->nr_groups;
2499         while (v /= 10)
2500                 group_width++;
2501
2502         v = num_possible_cpus();
2503         while (v /= 10)
2504                 cpu_width++;
2505         empty_str[min_t(int, cpu_width, sizeof(empty_str) - 1)] = '\0';
2506
2507         upa = ai->alloc_size / ai->unit_size;
2508         width = upa * (cpu_width + 1) + group_width + 3;
2509         apl = rounddown_pow_of_two(max(60 / width, 1));
2510
2511         printk("%spcpu-alloc: s%zu r%zu d%zu u%zu alloc=%zu*%zu",
2512                lvl, ai->static_size, ai->reserved_size, ai->dyn_size,
2513                ai->unit_size, ai->alloc_size / ai->atom_size, ai->atom_size);
2514
2515         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
2516                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2517                 int unit = 0, unit_end = 0;
2518
2519                 BUG_ON(gi->nr_units % upa);
2520                 for (alloc_end += gi->nr_units / upa;
2521                      alloc < alloc_end; alloc++) {
2522                         if (!(alloc % apl)) {
2523                                 pr_cont("\n");
2524                                 printk("%spcpu-alloc: ", lvl);
2525                         }
2526                         pr_cont("[%0*d] ", group_width, group);
2527
2528                         for (unit_end += upa; unit < unit_end; unit++)
2529                                 if (gi->cpu_map[unit] != NR_CPUS)
2530                                         pr_cont("%0*d ",
2531                                                 cpu_width, gi->cpu_map[unit]);
2532                                 else
2533                                         pr_cont("%s ", empty_str);
2534                 }
2535         }
2536         pr_cont("\n");
2537 }
2538
2539 /**
2540  * pcpu_setup_first_chunk - initialize the first percpu chunk
2541  * @ai: pcpu_alloc_info describing how to percpu area is shaped
2542  * @base_addr: mapped address
2543  *
2544  * Initialize the first percpu chunk which contains the kernel static
2545  * percpu area.  This function is to be called from arch percpu area
2546  * setup path.
2547  *
2548  * @ai contains all information necessary to initialize the first
2549  * chunk and prime the dynamic percpu allocator.
2550  *
2551  * @ai->static_size is the size of static percpu area.
2552  *
2553  * @ai->reserved_size, if non-zero, specifies the amount of bytes to
2554  * reserve after the static area in the first chunk.  This reserves
2555  * the first chunk such that it's available only through reserved
2556  * percpu allocation.  This is primarily used to serve module percpu
2557  * static areas on architectures where the addressing model has
2558  * limited offset range for symbol relocations to guarantee module
2559  * percpu symbols fall inside the relocatable range.
2560  *
2561  * @ai->dyn_size determines the number of bytes available for dynamic
2562  * allocation in the first chunk.  The area between @ai->static_size +
2563  * @ai->reserved_size + @ai->dyn_size and @ai->unit_size is unused.
2564  *
2565  * @ai->unit_size specifies unit size and must be aligned to PAGE_SIZE
2566  * and equal to or larger than @ai->static_size + @ai->reserved_size +
2567  * @ai->dyn_size.
2568  *
2569  * @ai->atom_size is the allocation atom size and used as alignment
2570  * for vm areas.
2571  *
2572  * @ai->alloc_size is the allocation size and always multiple of
2573  * @ai->atom_size.  This is larger than @ai->atom_size if
2574  * @ai->unit_size is larger than @ai->atom_size.
2575  *
2576  * @ai->nr_groups and @ai->groups describe virtual memory layout of
2577  * percpu areas.  Units which should be colocated are put into the
2578  * same group.  Dynamic VM areas will be allocated according to these
2579  * groupings.  If @ai->nr_groups is zero, a single group containing
2580  * all units is assumed.
2581  *
2582  * The caller should have mapped the first chunk at @base_addr and
2583  * copied static data to each unit.
2584  *
2585  * The first chunk will always contain a static and a dynamic region.
2586  * However, the static region is not managed by any chunk.  If the first
2587  * chunk also contains a reserved region, it is served by two chunks -
2588  * one for the reserved region and one for the dynamic region.  They
2589  * share the same vm, but use offset regions in the area allocation map.
2590  * The chunk serving the dynamic region is circulated in the chunk slots
2591  * and available for dynamic allocation like any other chunk.
2592  */
2593 void __init pcpu_setup_first_chunk(const struct pcpu_alloc_info *ai,
2594                                    void *base_addr)
2595 {
2596         size_t size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
2597         size_t static_size, dyn_size;
2598         struct pcpu_chunk *chunk;
2599         unsigned long *group_offsets;
2600         size_t *group_sizes;
2601         unsigned long *unit_off;
2602         unsigned int cpu;
2603         int *unit_map;
2604         int group, unit, i;
2605         int map_size;
2606         unsigned long tmp_addr;
2607         size_t alloc_size;
2608
2609 #define PCPU_SETUP_BUG_ON(cond) do {                                    \
2610         if (unlikely(cond)) {                                           \
2611                 pr_emerg("failed to initialize, %s\n", #cond);          \
2612                 pr_emerg("cpu_possible_mask=%*pb\n",                    \
2613                          cpumask_pr_args(cpu_possible_mask));           \
2614                 pcpu_dump_alloc_info(KERN_EMERG, ai);                   \
2615                 BUG();                                                  \
2616         }                                                               \
2617 } while (0)
2618
2619         /* sanity checks */
2620         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->nr_groups <= 0);
2621 #ifdef CONFIG_SMP
2622         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->static_size);
2623         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(__per_cpu_start));
2624 #endif
2625         PCPU_SETUP_BUG_ON(!base_addr);
2626         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(base_addr));
2627         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < size_sum);
2628         PCPU_SETUP_BUG_ON(offset_in_page(ai->unit_size));
2629         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->unit_size < PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
2630         PCPU_SETUP_BUG_ON(!IS_ALIGNED(ai->unit_size, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE));
2631         PCPU_SETUP_BUG_ON(ai->dyn_size < PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE);
2632         PCPU_SETUP_BUG_ON(!ai->dyn_size);
2633         PCPU_SETUP_BUG_ON(!IS_ALIGNED(ai->reserved_size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE));
2634         PCPU_SETUP_BUG_ON(!(IS_ALIGNED(PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE, PAGE_SIZE) ||
2635                             IS_ALIGNED(PAGE_SIZE, PCPU_BITMAP_BLOCK_SIZE)));
2636         PCPU_SETUP_BUG_ON(pcpu_verify_alloc_info(ai) < 0);
2637
2638         /* process group information and build config tables accordingly */
2639         alloc_size = ai->nr_groups * sizeof(group_offsets[0]);
2640         group_offsets = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2641         if (!group_offsets)
2642                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2643                       alloc_size);
2644
2645         alloc_size = ai->nr_groups * sizeof(group_sizes[0]);
2646         group_sizes = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2647         if (!group_sizes)
2648                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2649                       alloc_size);
2650
2651         alloc_size = nr_cpu_ids * sizeof(unit_map[0]);
2652         unit_map = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2653         if (!unit_map)
2654                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2655                       alloc_size);
2656
2657         alloc_size = nr_cpu_ids * sizeof(unit_off[0]);
2658         unit_off = memblock_alloc(alloc_size, SMP_CACHE_BYTES);
2659         if (!unit_off)
2660                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2661                       alloc_size);
2662
2663         for (cpu = 0; cpu < nr_cpu_ids; cpu++)
2664                 unit_map[cpu] = UINT_MAX;
2665
2666         pcpu_low_unit_cpu = NR_CPUS;
2667         pcpu_high_unit_cpu = NR_CPUS;
2668
2669         for (group = 0, unit = 0; group < ai->nr_groups; group++, unit += i) {
2670                 const struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2671
2672                 group_offsets[group] = gi->base_offset;
2673                 group_sizes[group] = gi->nr_units * ai->unit_size;
2674
2675                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++) {
2676                         cpu = gi->cpu_map[i];
2677                         if (cpu == NR_CPUS)
2678                                 continue;
2679
2680                         PCPU_SETUP_BUG_ON(cpu >= nr_cpu_ids);
2681                         PCPU_SETUP_BUG_ON(!cpu_possible(cpu));
2682                         PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] != UINT_MAX);
2683
2684                         unit_map[cpu] = unit + i;
2685                         unit_off[cpu] = gi->base_offset + i * ai->unit_size;
2686
2687                         /* determine low/high unit_cpu */
2688                         if (pcpu_low_unit_cpu == NR_CPUS ||
2689                             unit_off[cpu] < unit_off[pcpu_low_unit_cpu])
2690                                 pcpu_low_unit_cpu = cpu;
2691                         if (pcpu_high_unit_cpu == NR_CPUS ||
2692                             unit_off[cpu] > unit_off[pcpu_high_unit_cpu])
2693                                 pcpu_high_unit_cpu = cpu;
2694                 }
2695         }
2696         pcpu_nr_units = unit;
2697
2698         for_each_possible_cpu(cpu)
2699                 PCPU_SETUP_BUG_ON(unit_map[cpu] == UINT_MAX);
2700
2701         /* we're done parsing the input, undefine BUG macro and dump config */
2702 #undef PCPU_SETUP_BUG_ON
2703         pcpu_dump_alloc_info(KERN_DEBUG, ai);
2704
2705         pcpu_nr_groups = ai->nr_groups;
2706         pcpu_group_offsets = group_offsets;
2707         pcpu_group_sizes = group_sizes;
2708         pcpu_unit_map = unit_map;
2709         pcpu_unit_offsets = unit_off;
2710
2711         /* determine basic parameters */
2712         pcpu_unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
2713         pcpu_unit_size = pcpu_unit_pages << PAGE_SHIFT;
2714         pcpu_atom_size = ai->atom_size;
2715         pcpu_chunk_struct_size = struct_size(chunk, populated,
2716                                              BITS_TO_LONGS(pcpu_unit_pages));
2717
2718         pcpu_stats_save_ai(ai);
2719
2720         /*
2721          * Allocate chunk slots.  The slots after the active slots are:
2722          *   sidelined_slot - isolated, depopulated chunks
2723          *   free_slot - fully free chunks
2724          *   to_depopulate_slot - isolated, chunks to depopulate
2725          */
2726         pcpu_sidelined_slot = __pcpu_size_to_slot(pcpu_unit_size) + 1;
2727         pcpu_free_slot = pcpu_sidelined_slot + 1;
2728         pcpu_to_depopulate_slot = pcpu_free_slot + 1;
2729         pcpu_nr_slots = pcpu_to_depopulate_slot + 1;
2730         pcpu_chunk_lists = memblock_alloc(pcpu_nr_slots *
2731                                           sizeof(pcpu_chunk_lists[0]),
2732                                           SMP_CACHE_BYTES);
2733         if (!pcpu_chunk_lists)
2734                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
2735                       pcpu_nr_slots * sizeof(pcpu_chunk_lists[0]));
2736
2737         for (i = 0; i < pcpu_nr_slots; i++)
2738                 INIT_LIST_HEAD(&pcpu_chunk_lists[i]);
2739
2740         /*
2741          * The end of the static region needs to be aligned with the
2742          * minimum allocation size as this offsets the reserved and
2743          * dynamic region.  The first chunk ends page aligned by
2744          * expanding the dynamic region, therefore the dynamic region
2745          * can be shrunk to compensate while still staying above the
2746          * configured sizes.
2747          */
2748         static_size = ALIGN(ai->static_size, PCPU_MIN_ALLOC_SIZE);
2749         dyn_size = ai->dyn_size - (static_size - ai->static_size);
2750
2751         /*
2752          * Initialize first chunk.
2753          * If the reserved_size is non-zero, this initializes the reserved
2754          * chunk.  If the reserved_size is zero, the reserved chunk is NULL
2755          * and the dynamic region is initialized here.  The first chunk,
2756          * pcpu_first_chunk, will always point to the chunk that serves
2757          * the dynamic region.
2758          */
2759         tmp_addr = (unsigned long)base_addr + static_size;
2760         map_size = ai->reserved_size ?: dyn_size;
2761         chunk = pcpu_alloc_first_chunk(tmp_addr, map_size);
2762
2763         /* init dynamic chunk if necessary */
2764         if (ai->reserved_size) {
2765                 pcpu_reserved_chunk = chunk;
2766
2767                 tmp_addr = (unsigned long)base_addr + static_size +
2768                            ai->reserved_size;
2769                 map_size = dyn_size;
2770                 chunk = pcpu_alloc_first_chunk(tmp_addr, map_size);
2771         }
2772
2773         /* link the first chunk in */
2774         pcpu_first_chunk = chunk;
2775         pcpu_nr_empty_pop_pages = pcpu_first_chunk->nr_empty_pop_pages;
2776         pcpu_chunk_relocate(pcpu_first_chunk, -1);
2777
2778         /* include all regions of the first chunk */
2779         pcpu_nr_populated += PFN_DOWN(size_sum);
2780
2781         pcpu_stats_chunk_alloc();
2782         trace_percpu_create_chunk(base_addr);
2783
2784         /* we're done */
2785         pcpu_base_addr = base_addr;
2786 }
2787
2788 #ifdef CONFIG_SMP
2789
2790 const char * const pcpu_fc_names[PCPU_FC_NR] __initconst = {
2791         [PCPU_FC_AUTO]  = "auto",
2792         [PCPU_FC_EMBED] = "embed",
2793         [PCPU_FC_PAGE]  = "page",
2794 };
2795
2796 enum pcpu_fc pcpu_chosen_fc __initdata = PCPU_FC_AUTO;
2797
2798 static int __init percpu_alloc_setup(char *str)
2799 {
2800         if (!str)
2801                 return -EINVAL;
2802
2803         if (0)
2804                 /* nada */;
2805 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK
2806         else if (!strcmp(str, "embed"))
2807                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_EMBED;
2808 #endif
2809 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
2810         else if (!strcmp(str, "page"))
2811                 pcpu_chosen_fc = PCPU_FC_PAGE;
2812 #endif
2813         else
2814                 pr_warn("unknown allocator %s specified\n", str);
2815
2816         return 0;
2817 }
2818 early_param("percpu_alloc", percpu_alloc_setup);
2819
2820 /*
2821  * pcpu_embed_first_chunk() is used by the generic percpu setup.
2822  * Build it if needed by the arch config or the generic setup is going
2823  * to be used.
2824  */
2825 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_EMBED_FIRST_CHUNK) || \
2826         !defined(CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA)
2827 #define BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK
2828 #endif
2829
2830 /* build pcpu_page_first_chunk() iff needed by the arch config */
2831 #if defined(CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK)
2832 #define BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
2833 #endif
2834
2835 /* pcpu_build_alloc_info() is used by both embed and page first chunk */
2836 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK) || defined(BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK)
2837 /**
2838  * pcpu_build_alloc_info - build alloc_info considering distances between CPUs
2839  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
2840  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
2841  * @atom_size: allocation atom size
2842  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
2843  *
2844  * This function determines grouping of units, their mappings to cpus
2845  * and other parameters considering needed percpu size, allocation
2846  * atom size and distances between CPUs.
2847  *
2848  * Groups are always multiples of atom size and CPUs which are of
2849  * LOCAL_DISTANCE both ways are grouped together and share space for
2850  * units in the same group.  The returned configuration is guaranteed
2851  * to have CPUs on different nodes on different groups and >=75% usage
2852  * of allocated virtual address space.
2853  *
2854  * RETURNS:
2855  * On success, pointer to the new allocation_info is returned.  On
2856  * failure, ERR_PTR value is returned.
2857  */
2858 static struct pcpu_alloc_info * __init __flatten pcpu_build_alloc_info(
2859                                 size_t reserved_size, size_t dyn_size,
2860                                 size_t atom_size,
2861                                 pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn)
2862 {
2863         static int group_map[NR_CPUS] __initdata;
2864         static int group_cnt[NR_CPUS] __initdata;
2865         static struct cpumask mask __initdata;
2866         const size_t static_size = __per_cpu_end - __per_cpu_start;
2867         int nr_groups = 1, nr_units = 0;
2868         size_t size_sum, min_unit_size, alloc_size;
2869         int upa, max_upa, best_upa;     /* units_per_alloc */
2870         int last_allocs, group, unit;
2871         unsigned int cpu, tcpu;
2872         struct pcpu_alloc_info *ai;
2873         unsigned int *cpu_map;
2874
2875         /* this function may be called multiple times */
2876         memset(group_map, 0, sizeof(group_map));
2877         memset(group_cnt, 0, sizeof(group_cnt));
2878         cpumask_clear(&mask);
2879
2880         /* calculate size_sum and ensure dyn_size is enough for early alloc */
2881         size_sum = PFN_ALIGN(static_size + reserved_size +
2882                             max_t(size_t, dyn_size, PERCPU_DYNAMIC_EARLY_SIZE));
2883         dyn_size = size_sum - static_size - reserved_size;
2884
2885         /*
2886          * Determine min_unit_size, alloc_size and max_upa such that
2887          * alloc_size is multiple of atom_size and is the smallest
2888          * which can accommodate 4k aligned segments which are equal to
2889          * or larger than min_unit_size.
2890          */
2891         min_unit_size = max_t(size_t, size_sum, PCPU_MIN_UNIT_SIZE);
2892
2893         /* determine the maximum # of units that can fit in an allocation */
2894         alloc_size = roundup(min_unit_size, atom_size);
2895         upa = alloc_size / min_unit_size;
2896         while (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
2897                 upa--;
2898         max_upa = upa;
2899
2900         cpumask_copy(&mask, cpu_possible_mask);
2901
2902         /* group cpus according to their proximity */
2903         for (group = 0; !cpumask_empty(&mask); group++) {
2904                 /* pop the group's first cpu */
2905                 cpu = cpumask_first(&mask);
2906                 group_map[cpu] = group;
2907                 group_cnt[group]++;
2908                 cpumask_clear_cpu(cpu, &mask);
2909
2910                 for_each_cpu(tcpu, &mask) {
2911                         if (!cpu_distance_fn ||
2912                             (cpu_distance_fn(cpu, tcpu) == LOCAL_DISTANCE &&
2913                              cpu_distance_fn(tcpu, cpu) == LOCAL_DISTANCE)) {
2914                                 group_map[tcpu] = group;
2915                                 group_cnt[group]++;
2916                                 cpumask_clear_cpu(tcpu, &mask);
2917                         }
2918                 }
2919         }
2920         nr_groups = group;
2921
2922         /*
2923          * Wasted space is caused by a ratio imbalance of upa to group_cnt.
2924          * Expand the unit_size until we use >= 75% of the units allocated.
2925          * Related to atom_size, which could be much larger than the unit_size.
2926          */
2927         last_allocs = INT_MAX;
2928         best_upa = 0;
2929         for (upa = max_upa; upa; upa--) {
2930                 int allocs = 0, wasted = 0;
2931
2932                 if (alloc_size % upa || (offset_in_page(alloc_size / upa)))
2933                         continue;
2934
2935                 for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
2936                         int this_allocs = DIV_ROUND_UP(group_cnt[group], upa);
2937                         allocs += this_allocs;
2938                         wasted += this_allocs * upa - group_cnt[group];
2939                 }
2940
2941                 /*
2942                  * Don't accept if wastage is over 1/3.  The
2943                  * greater-than comparison ensures upa==1 always
2944                  * passes the following check.
2945                  */
2946                 if (wasted > num_possible_cpus() / 3)
2947                         continue;
2948
2949                 /* and then don't consume more memory */
2950                 if (allocs > last_allocs)
2951                         break;
2952                 last_allocs = allocs;
2953                 best_upa = upa;
2954         }
2955         BUG_ON(!best_upa);
2956         upa = best_upa;
2957
2958         /* allocate and fill alloc_info */
2959         for (group = 0; group < nr_groups; group++)
2960                 nr_units += roundup(group_cnt[group], upa);
2961
2962         ai = pcpu_alloc_alloc_info(nr_groups, nr_units);
2963         if (!ai)
2964                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
2965         cpu_map = ai->groups[0].cpu_map;
2966
2967         for (group = 0; group < nr_groups; group++) {
2968                 ai->groups[group].cpu_map = cpu_map;
2969                 cpu_map += roundup(group_cnt[group], upa);
2970         }
2971
2972         ai->static_size = static_size;
2973         ai->reserved_size = reserved_size;
2974         ai->dyn_size = dyn_size;
2975         ai->unit_size = alloc_size / upa;
2976         ai->atom_size = atom_size;
2977         ai->alloc_size = alloc_size;
2978
2979         for (group = 0, unit = 0; group < nr_groups; group++) {
2980                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
2981
2982                 /*
2983                  * Initialize base_offset as if all groups are located
2984                  * back-to-back.  The caller should update this to
2985                  * reflect actual allocation.
2986                  */
2987                 gi->base_offset = unit * ai->unit_size;
2988
2989                 for_each_possible_cpu(cpu)
2990                         if (group_map[cpu] == group)
2991                                 gi->cpu_map[gi->nr_units++] = cpu;
2992                 gi->nr_units = roundup(gi->nr_units, upa);
2993                 unit += gi->nr_units;
2994         }
2995         BUG_ON(unit != nr_units);
2996
2997         return ai;
2998 }
2999 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK || BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
3000
3001 #if defined(BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK)
3002 /**
3003  * pcpu_embed_first_chunk - embed the first percpu chunk into bootmem
3004  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
3005  * @dyn_size: minimum free size for dynamic allocation in bytes
3006  * @atom_size: allocation atom size
3007  * @cpu_distance_fn: callback to determine distance between cpus, optional
3008  * @alloc_fn: function to allocate percpu page
3009  * @free_fn: function to free percpu page
3010  *
3011  * This is a helper to ease setting up embedded first percpu chunk and
3012  * can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
3013  *
3014  * If this function is used to setup the first chunk, it is allocated
3015  * by calling @alloc_fn and used as-is without being mapped into
3016  * vmalloc area.  Allocations are always whole multiples of @atom_size
3017  * aligned to @atom_size.
3018  *
3019  * This enables the first chunk to piggy back on the linear physical
3020  * mapping which often uses larger page size.  Please note that this
3021  * can result in very sparse cpu->unit mapping on NUMA machines thus
3022  * requiring large vmalloc address space.  Don't use this allocator if
3023  * vmalloc space is not orders of magnitude larger than distances
3024  * between node memory addresses (ie. 32bit NUMA machines).
3025  *
3026  * @dyn_size specifies the minimum dynamic area size.
3027  *
3028  * If the needed size is smaller than the minimum or specified unit
3029  * size, the leftover is returned using @free_fn.
3030  *
3031  * RETURNS:
3032  * 0 on success, -errno on failure.
3033  */
3034 int __init pcpu_embed_first_chunk(size_t reserved_size, size_t dyn_size,
3035                                   size_t atom_size,
3036                                   pcpu_fc_cpu_distance_fn_t cpu_distance_fn,
3037                                   pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
3038                                   pcpu_fc_free_fn_t free_fn)
3039 {
3040         void *base = (void *)ULONG_MAX;
3041         void **areas = NULL;
3042         struct pcpu_alloc_info *ai;
3043         size_t size_sum, areas_size;
3044         unsigned long max_distance;
3045         int group, i, highest_group, rc = 0;
3046
3047         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, dyn_size, atom_size,
3048                                    cpu_distance_fn);
3049         if (IS_ERR(ai))
3050                 return PTR_ERR(ai);
3051
3052         size_sum = ai->static_size + ai->reserved_size + ai->dyn_size;
3053         areas_size = PFN_ALIGN(ai->nr_groups * sizeof(void *));
3054
3055         areas = memblock_alloc(areas_size, SMP_CACHE_BYTES);
3056         if (!areas) {
3057                 rc = -ENOMEM;
3058                 goto out_free;
3059         }
3060
3061         /* allocate, copy and determine base address & max_distance */
3062         highest_group = 0;
3063         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
3064                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
3065                 unsigned int cpu = NR_CPUS;
3066                 void *ptr;
3067
3068                 for (i = 0; i < gi->nr_units && cpu == NR_CPUS; i++)
3069                         cpu = gi->cpu_map[i];
3070                 BUG_ON(cpu == NR_CPUS);
3071
3072                 /* allocate space for the whole group */
3073                 ptr = alloc_fn(cpu, gi->nr_units * ai->unit_size, atom_size);
3074                 if (!ptr) {
3075                         rc = -ENOMEM;
3076                         goto out_free_areas;
3077                 }
3078                 /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
3079                 kmemleak_free(ptr);
3080                 areas[group] = ptr;
3081
3082                 base = min(ptr, base);
3083                 if (ptr > areas[highest_group])
3084                         highest_group = group;
3085         }
3086         max_distance = areas[highest_group] - base;
3087         max_distance += ai->unit_size * ai->groups[highest_group].nr_units;
3088
3089         /* warn if maximum distance is further than 75% of vmalloc space */
3090         if (max_distance > VMALLOC_TOTAL * 3 / 4) {
3091                 pr_warn("max_distance=0x%lx too large for vmalloc space 0x%lx\n",
3092                                 max_distance, VMALLOC_TOTAL);
3093 #ifdef CONFIG_NEED_PER_CPU_PAGE_FIRST_CHUNK
3094                 /* and fail if we have fallback */
3095                 rc = -EINVAL;
3096                 goto out_free_areas;
3097 #endif
3098         }
3099
3100         /*
3101          * Copy data and free unused parts.  This should happen after all
3102          * allocations are complete; otherwise, we may end up with
3103          * overlapping groups.
3104          */
3105         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
3106                 struct pcpu_group_info *gi = &ai->groups[group];
3107                 void *ptr = areas[group];
3108
3109                 for (i = 0; i < gi->nr_units; i++, ptr += ai->unit_size) {
3110                         if (gi->cpu_map[i] == NR_CPUS) {
3111                                 /* unused unit, free whole */
3112                                 free_fn(ptr, ai->unit_size);
3113                                 continue;
3114                         }
3115                         /* copy and return the unused part */
3116                         memcpy(ptr, __per_cpu_load, ai->static_size);
3117                         free_fn(ptr + size_sum, ai->unit_size - size_sum);
3118                 }
3119         }
3120
3121         /* base address is now known, determine group base offsets */
3122         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++) {
3123                 ai->groups[group].base_offset = areas[group] - base;
3124         }
3125
3126         pr_info("Embedded %zu pages/cpu s%zu r%zu d%zu u%zu\n",
3127                 PFN_DOWN(size_sum), ai->static_size, ai->reserved_size,
3128                 ai->dyn_size, ai->unit_size);
3129
3130         pcpu_setup_first_chunk(ai, base);
3131         goto out_free;
3132
3133 out_free_areas:
3134         for (group = 0; group < ai->nr_groups; group++)
3135                 if (areas[group])
3136                         free_fn(areas[group],
3137                                 ai->groups[group].nr_units * ai->unit_size);
3138 out_free:
3139         pcpu_free_alloc_info(ai);
3140         if (areas)
3141                 memblock_free_early(__pa(areas), areas_size);
3142         return rc;
3143 }
3144 #endif /* BUILD_EMBED_FIRST_CHUNK */
3145
3146 #ifdef BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK
3147 /**
3148  * pcpu_page_first_chunk - map the first chunk using PAGE_SIZE pages
3149  * @reserved_size: the size of reserved percpu area in bytes
3150  * @alloc_fn: function to allocate percpu page, always called with PAGE_SIZE
3151  * @free_fn: function to free percpu page, always called with PAGE_SIZE
3152  * @populate_pte_fn: function to populate pte
3153  *
3154  * This is a helper to ease setting up page-remapped first percpu
3155  * chunk and can be called where pcpu_setup_first_chunk() is expected.
3156  *
3157  * This is the basic allocator.  Static percpu area is allocated
3158  * page-by-page into vmalloc area.
3159  *
3160  * RETURNS:
3161  * 0 on success, -errno on failure.
3162  */
3163 int __init pcpu_page_first_chunk(size_t reserved_size,
3164                                  pcpu_fc_alloc_fn_t alloc_fn,
3165                                  pcpu_fc_free_fn_t free_fn,
3166                                  pcpu_fc_populate_pte_fn_t populate_pte_fn)
3167 {
3168         static struct vm_struct vm;
3169         struct pcpu_alloc_info *ai;
3170         char psize_str[16];
3171         int unit_pages;
3172         size_t pages_size;
3173         struct page **pages;
3174         int unit, i, j, rc = 0;
3175         int upa;
3176         int nr_g0_units;
3177
3178         snprintf(psize_str, sizeof(psize_str), "%luK", PAGE_SIZE >> 10);
3179
3180         ai = pcpu_build_alloc_info(reserved_size, 0, PAGE_SIZE, NULL);
3181         if (IS_ERR(ai))
3182                 return PTR_ERR(ai);
3183         BUG_ON(ai->nr_groups != 1);
3184         upa = ai->alloc_size/ai->unit_size;
3185         nr_g0_units = roundup(num_possible_cpus(), upa);
3186         if (WARN_ON(ai->groups[0].nr_units != nr_g0_units)) {
3187                 pcpu_free_alloc_info(ai);
3188                 return -EINVAL;
3189         }
3190
3191         unit_pages = ai->unit_size >> PAGE_SHIFT;
3192
3193         /* unaligned allocations can't be freed, round up to page size */
3194         pages_size = PFN_ALIGN(unit_pages * num_possible_cpus() *
3195                                sizeof(pages[0]));
3196         pages = memblock_alloc(pages_size, SMP_CACHE_BYTES);
3197         if (!pages)
3198                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
3199                       pages_size);
3200
3201         /* allocate pages */
3202         j = 0;
3203         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
3204                 unsigned int cpu = ai->groups[0].cpu_map[unit];
3205                 for (i = 0; i < unit_pages; i++) {
3206                         void *ptr;
3207
3208                         ptr = alloc_fn(cpu, PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
3209                         if (!ptr) {
3210                                 pr_warn("failed to allocate %s page for cpu%u\n",
3211                                                 psize_str, cpu);
3212                                 goto enomem;
3213                         }
3214                         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
3215                         kmemleak_free(ptr);
3216                         pages[j++] = virt_to_page(ptr);
3217                 }
3218         }
3219
3220         /* allocate vm area, map the pages and copy static data */
3221         vm.flags = VM_ALLOC;
3222         vm.size = num_possible_cpus() * ai->unit_size;
3223         vm_area_register_early(&vm, PAGE_SIZE);
3224
3225         for (unit = 0; unit < num_possible_cpus(); unit++) {
3226                 unsigned long unit_addr =
3227                         (unsigned long)vm.addr + unit * ai->unit_size;
3228
3229                 for (i = 0; i < unit_pages; i++)
3230                         populate_pte_fn(unit_addr + (i << PAGE_SHIFT));
3231
3232                 /* pte already populated, the following shouldn't fail */
3233                 rc = __pcpu_map_pages(unit_addr, &pages[unit * unit_pages],
3234                                       unit_pages);
3235                 if (rc < 0)
3236                         panic("failed to map percpu area, err=%d\n", rc);
3237
3238                 /*
3239                  * FIXME: Archs with virtual cache should flush local
3240                  * cache for the linear mapping here - something
3241                  * equivalent to flush_cache_vmap() on the local cpu.
3242                  * flush_cache_vmap() can't be used as most supporting
3243                  * data structures are not set up yet.
3244                  */
3245
3246                 /* copy static data */
3247                 memcpy((void *)unit_addr, __per_cpu_load, ai->static_size);
3248         }
3249
3250         /* we're ready, commit */
3251         pr_info("%d %s pages/cpu s%zu r%zu d%zu\n",
3252                 unit_pages, psize_str, ai->static_size,
3253                 ai->reserved_size, ai->dyn_size);
3254
3255         pcpu_setup_first_chunk(ai, vm.addr);
3256         goto out_free_ar;
3257
3258 enomem:
3259         while (--j >= 0)
3260                 free_fn(page_address(pages[j]), PAGE_SIZE);
3261         rc = -ENOMEM;
3262 out_free_ar:
3263         memblock_free_early(__pa(pages), pages_size);
3264         pcpu_free_alloc_info(ai);
3265         return rc;
3266 }
3267 #endif /* BUILD_PAGE_FIRST_CHUNK */
3268
3269 #ifndef CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA
3270 /*
3271  * Generic SMP percpu area setup.
3272  *
3273  * The embedding helper is used because its behavior closely resembles
3274  * the original non-dynamic generic percpu area setup.  This is
3275  * important because many archs have addressing restrictions and might
3276  * fail if the percpu area is located far away from the previous
3277  * location.  As an added bonus, in non-NUMA cases, embedding is
3278  * generally a good idea TLB-wise because percpu area can piggy back
3279  * on the physical linear memory mapping which uses large page
3280  * mappings on applicable archs.
3281  */
3282 unsigned long __per_cpu_offset[NR_CPUS] __read_mostly;
3283 EXPORT_SYMBOL(__per_cpu_offset);
3284
3285 static void * __init pcpu_dfl_fc_alloc(unsigned int cpu, size_t size,
3286                                        size_t align)
3287 {
3288         return  memblock_alloc_from(size, align, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
3289 }
3290
3291 static void __init pcpu_dfl_fc_free(void *ptr, size_t size)
3292 {
3293         memblock_free_early(__pa(ptr), size);
3294 }
3295
3296 void __init setup_per_cpu_areas(void)
3297 {
3298         unsigned long delta;
3299         unsigned int cpu;
3300         int rc;
3301
3302         /*
3303          * Always reserve area for module percpu variables.  That's
3304          * what the legacy allocator did.
3305          */
3306         rc = pcpu_embed_first_chunk(PERCPU_MODULE_RESERVE,
3307                                     PERCPU_DYNAMIC_RESERVE, PAGE_SIZE, NULL,
3308                                     pcpu_dfl_fc_alloc, pcpu_dfl_fc_free);
3309         if (rc < 0)
3310                 panic("Failed to initialize percpu areas.");
3311
3312         delta = (unsigned long)pcpu_base_addr - (unsigned long)__per_cpu_start;
3313         for_each_possible_cpu(cpu)
3314                 __per_cpu_offset[cpu] = delta + pcpu_unit_offsets[cpu];
3315 }
3316 #endif  /* CONFIG_HAVE_SETUP_PER_CPU_AREA */
3317
3318 #else   /* CONFIG_SMP */
3319
3320 /*
3321  * UP percpu area setup.
3322  *
3323  * UP always uses km-based percpu allocator with identity mapping.
3324  * Static percpu variables are indistinguishable from the usual static
3325  * variables and don't require any special preparation.
3326  */
3327 void __init setup_per_cpu_areas(void)
3328 {
3329         const size_t unit_size =
3330                 roundup_pow_of_two(max_t(size_t, PCPU_MIN_UNIT_SIZE,
3331                                          PERCPU_DYNAMIC_RESERVE));
3332         struct pcpu_alloc_info *ai;
3333         void *fc;
3334
3335         ai = pcpu_alloc_alloc_info(1, 1);
3336         fc = memblock_alloc_from(unit_size, PAGE_SIZE, __pa(MAX_DMA_ADDRESS));
3337         if (!ai || !fc)
3338                 panic("Failed to allocate memory for percpu areas.");
3339         /* kmemleak tracks the percpu allocations separately */
3340         kmemleak_free(fc);
3341
3342         ai->dyn_size = unit_size;
3343         ai->unit_size = unit_size;
3344         ai->atom_size = unit_size;
3345         ai->alloc_size = unit_size;
3346         ai->groups[0].nr_units = 1;
3347         ai->groups[0].cpu_map[0] = 0;
3348
3349         pcpu_setup_first_chunk(ai, fc);
3350         pcpu_free_alloc_info(ai);
3351 }
3352
3353 #endif  /* CONFIG_SMP */
3354
3355 /*
3356  * pcpu_nr_pages - calculate total number of populated backing pages
3357  *
3358  * This reflects the number of pages populated to back chunks.  Metadata is
3359  * excluded in the number exposed in meminfo as the number of backing pages
3360  * scales with the number of cpus and can quickly outweigh the memory used for
3361  * metadata.  It also keeps this calculation nice and simple.
3362  *
3363  * RETURNS:
3364  * Total number of populated backing pages in use by the allocator.
3365  */
3366 unsigned long pcpu_nr_pages(void)
3367 {
3368         return pcpu_nr_populated * pcpu_nr_units;
3369 }
3370
3371 /*
3372  * Percpu allocator is initialized early during boot when neither slab or
3373  * workqueue is available.  Plug async management until everything is up
3374  * and running.
3375  */
3376 static int __init percpu_enable_async(void)
3377 {
3378         pcpu_async_enabled = true;
3379         return 0;
3380 }
3381 subsys_initcall(percpu_enable_async);