Linux 6.9-rc1
[linux-2.6-microblaze.git] / mm / zbud.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * zbud.c
4  *
5  * Copyright (C) 2013, Seth Jennings, IBM
6  *
7  * Concepts based on zcache internal zbud allocator by Dan Magenheimer.
8  *
9  * zbud is an special purpose allocator for storing compressed pages.  Contrary
10  * to what its name may suggest, zbud is not a buddy allocator, but rather an
11  * allocator that "buddies" two compressed pages together in a single memory
12  * page.
13  *
14  * While this design limits storage density, it has simple and deterministic
15  * reclaim properties that make it preferable to a higher density approach when
16  * reclaim will be used.
17  *
18  * zbud works by storing compressed pages, or "zpages", together in pairs in a
19  * single memory page called a "zbud page".  The first buddy is "left
20  * justified" at the beginning of the zbud page, and the last buddy is "right
21  * justified" at the end of the zbud page.  The benefit is that if either
22  * buddy is freed, the freed buddy space, coalesced with whatever slack space
23  * that existed between the buddies, results in the largest possible free region
24  * within the zbud page.
25  *
26  * zbud also provides an attractive lower bound on density. The ratio of zpages
27  * to zbud pages can not be less than 1.  This ensures that zbud can never "do
28  * harm" by using more pages to store zpages than the uncompressed zpages would
29  * have used on their own.
30  *
31  * zbud pages are divided into "chunks".  The size of the chunks is fixed at
32  * compile time and determined by NCHUNKS_ORDER below.  Dividing zbud pages
33  * into chunks allows organizing unbuddied zbud pages into a manageable number
34  * of unbuddied lists according to the number of free chunks available in the
35  * zbud page.
36  *
37  * The zbud API differs from that of conventional allocators in that the
38  * allocation function, zbud_alloc(), returns an opaque handle to the user,
39  * not a dereferenceable pointer.  The user must map the handle using
40  * zbud_map() in order to get a usable pointer by which to access the
41  * allocation data and unmap the handle with zbud_unmap() when operations
42  * on the allocation data are complete.
43  */
44
45 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
46
47 #include <linux/atomic.h>
48 #include <linux/list.h>
49 #include <linux/mm.h>
50 #include <linux/module.h>
51 #include <linux/preempt.h>
52 #include <linux/slab.h>
53 #include <linux/spinlock.h>
54 #include <linux/zpool.h>
55
56 /*****************
57  * Structures
58 *****************/
59 /*
60  * NCHUNKS_ORDER determines the internal allocation granularity, effectively
61  * adjusting internal fragmentation.  It also determines the number of
62  * freelists maintained in each pool. NCHUNKS_ORDER of 6 means that the
63  * allocation granularity will be in chunks of size PAGE_SIZE/64. As one chunk
64  * in allocated page is occupied by zbud header, NCHUNKS will be calculated to
65  * 63 which shows the max number of free chunks in zbud page, also there will be
66  * 63 freelists per pool.
67  */
68 #define NCHUNKS_ORDER   6
69
70 #define CHUNK_SHIFT     (PAGE_SHIFT - NCHUNKS_ORDER)
71 #define CHUNK_SIZE      (1 << CHUNK_SHIFT)
72 #define ZHDR_SIZE_ALIGNED CHUNK_SIZE
73 #define NCHUNKS         ((PAGE_SIZE - ZHDR_SIZE_ALIGNED) >> CHUNK_SHIFT)
74
75 struct zbud_pool;
76
77 struct zbud_ops {
78         int (*evict)(struct zbud_pool *pool, unsigned long handle);
79 };
80
81 /**
82  * struct zbud_pool - stores metadata for each zbud pool
83  * @lock:       protects all pool fields and first|last_chunk fields of any
84  *              zbud page in the pool
85  * @unbuddied:  array of lists tracking zbud pages that only contain one buddy;
86  *              the lists each zbud page is added to depends on the size of
87  *              its free region.
88  * @buddied:    list tracking the zbud pages that contain two buddies;
89  *              these zbud pages are full
90  * @lru:        list tracking the zbud pages in LRU order by most recently
91  *              added buddy.
92  * @pages_nr:   number of zbud pages in the pool.
93  * @ops:        pointer to a structure of user defined operations specified at
94  *              pool creation time.
95  * @zpool:      zpool driver
96  * @zpool_ops:  zpool operations structure with an evict callback
97  *
98  * This structure is allocated at pool creation time and maintains metadata
99  * pertaining to a particular zbud pool.
100  */
101 struct zbud_pool {
102         spinlock_t lock;
103         union {
104                 /*
105                  * Reuse unbuddied[0] as buddied on the ground that
106                  * unbuddied[0] is unused.
107                  */
108                 struct list_head buddied;
109                 struct list_head unbuddied[NCHUNKS];
110         };
111         struct list_head lru;
112         u64 pages_nr;
113         const struct zbud_ops *ops;
114         struct zpool *zpool;
115         const struct zpool_ops *zpool_ops;
116 };
117
118 /*
119  * struct zbud_header - zbud page metadata occupying the first chunk of each
120  *                      zbud page.
121  * @buddy:      links the zbud page into the unbuddied/buddied lists in the pool
122  * @lru:        links the zbud page into the lru list in the pool
123  * @first_chunks:       the size of the first buddy in chunks, 0 if free
124  * @last_chunks:        the size of the last buddy in chunks, 0 if free
125  */
126 struct zbud_header {
127         struct list_head buddy;
128         struct list_head lru;
129         unsigned int first_chunks;
130         unsigned int last_chunks;
131         bool under_reclaim;
132 };
133
134 /*****************
135  * Helpers
136 *****************/
137 /* Just to make the code easier to read */
138 enum buddy {
139         FIRST,
140         LAST
141 };
142
143 /* Converts an allocation size in bytes to size in zbud chunks */
144 static int size_to_chunks(size_t size)
145 {
146         return (size + CHUNK_SIZE - 1) >> CHUNK_SHIFT;
147 }
148
149 #define for_each_unbuddied_list(_iter, _begin) \
150         for ((_iter) = (_begin); (_iter) < NCHUNKS; (_iter)++)
151
152 /* Initializes the zbud header of a newly allocated zbud page */
153 static struct zbud_header *init_zbud_page(struct page *page)
154 {
155         struct zbud_header *zhdr = page_address(page);
156         zhdr->first_chunks = 0;
157         zhdr->last_chunks = 0;
158         INIT_LIST_HEAD(&zhdr->buddy);
159         INIT_LIST_HEAD(&zhdr->lru);
160         zhdr->under_reclaim = false;
161         return zhdr;
162 }
163
164 /* Resets the struct page fields and frees the page */
165 static void free_zbud_page(struct zbud_header *zhdr)
166 {
167         __free_page(virt_to_page(zhdr));
168 }
169
170 /*
171  * Encodes the handle of a particular buddy within a zbud page
172  * Pool lock should be held as this function accesses first|last_chunks
173  */
174 static unsigned long encode_handle(struct zbud_header *zhdr, enum buddy bud)
175 {
176         unsigned long handle;
177
178         /*
179          * For now, the encoded handle is actually just the pointer to the data
180          * but this might not always be the case.  A little information hiding.
181          * Add CHUNK_SIZE to the handle if it is the first allocation to jump
182          * over the zbud header in the first chunk.
183          */
184         handle = (unsigned long)zhdr;
185         if (bud == FIRST)
186                 /* skip over zbud header */
187                 handle += ZHDR_SIZE_ALIGNED;
188         else /* bud == LAST */
189                 handle += PAGE_SIZE - (zhdr->last_chunks  << CHUNK_SHIFT);
190         return handle;
191 }
192
193 /* Returns the zbud page where a given handle is stored */
194 static struct zbud_header *handle_to_zbud_header(unsigned long handle)
195 {
196         return (struct zbud_header *)(handle & PAGE_MASK);
197 }
198
199 /* Returns the number of free chunks in a zbud page */
200 static int num_free_chunks(struct zbud_header *zhdr)
201 {
202         /*
203          * Rather than branch for different situations, just use the fact that
204          * free buddies have a length of zero to simplify everything.
205          */
206         return NCHUNKS - zhdr->first_chunks - zhdr->last_chunks;
207 }
208
209 /*****************
210  * API Functions
211 *****************/
212 /**
213  * zbud_create_pool() - create a new zbud pool
214  * @gfp:        gfp flags when allocating the zbud pool structure
215  * @ops:        user-defined operations for the zbud pool
216  *
217  * Return: pointer to the new zbud pool or NULL if the metadata allocation
218  * failed.
219  */
220 static struct zbud_pool *zbud_create_pool(gfp_t gfp, const struct zbud_ops *ops)
221 {
222         struct zbud_pool *pool;
223         int i;
224
225         pool = kzalloc(sizeof(struct zbud_pool), gfp);
226         if (!pool)
227                 return NULL;
228         spin_lock_init(&pool->lock);
229         for_each_unbuddied_list(i, 0)
230                 INIT_LIST_HEAD(&pool->unbuddied[i]);
231         INIT_LIST_HEAD(&pool->buddied);
232         INIT_LIST_HEAD(&pool->lru);
233         pool->pages_nr = 0;
234         pool->ops = ops;
235         return pool;
236 }
237
238 /**
239  * zbud_destroy_pool() - destroys an existing zbud pool
240  * @pool:       the zbud pool to be destroyed
241  *
242  * The pool should be emptied before this function is called.
243  */
244 static void zbud_destroy_pool(struct zbud_pool *pool)
245 {
246         kfree(pool);
247 }
248
249 /**
250  * zbud_alloc() - allocates a region of a given size
251  * @pool:       zbud pool from which to allocate
252  * @size:       size in bytes of the desired allocation
253  * @gfp:        gfp flags used if the pool needs to grow
254  * @handle:     handle of the new allocation
255  *
256  * This function will attempt to find a free region in the pool large enough to
257  * satisfy the allocation request.  A search of the unbuddied lists is
258  * performed first. If no suitable free region is found, then a new page is
259  * allocated and added to the pool to satisfy the request.
260  *
261  * gfp should not set __GFP_HIGHMEM as highmem pages cannot be used
262  * as zbud pool pages.
263  *
264  * Return: 0 if success and handle is set, otherwise -EINVAL if the size or
265  * gfp arguments are invalid or -ENOMEM if the pool was unable to allocate
266  * a new page.
267  */
268 static int zbud_alloc(struct zbud_pool *pool, size_t size, gfp_t gfp,
269                         unsigned long *handle)
270 {
271         int chunks, i, freechunks;
272         struct zbud_header *zhdr = NULL;
273         enum buddy bud;
274         struct page *page;
275
276         if (!size || (gfp & __GFP_HIGHMEM))
277                 return -EINVAL;
278         if (size > PAGE_SIZE - ZHDR_SIZE_ALIGNED - CHUNK_SIZE)
279                 return -ENOSPC;
280         chunks = size_to_chunks(size);
281         spin_lock(&pool->lock);
282
283         /* First, try to find an unbuddied zbud page. */
284         for_each_unbuddied_list(i, chunks) {
285                 if (!list_empty(&pool->unbuddied[i])) {
286                         zhdr = list_first_entry(&pool->unbuddied[i],
287                                         struct zbud_header, buddy);
288                         list_del(&zhdr->buddy);
289                         if (zhdr->first_chunks == 0)
290                                 bud = FIRST;
291                         else
292                                 bud = LAST;
293                         goto found;
294                 }
295         }
296
297         /* Couldn't find unbuddied zbud page, create new one */
298         spin_unlock(&pool->lock);
299         page = alloc_page(gfp);
300         if (!page)
301                 return -ENOMEM;
302         spin_lock(&pool->lock);
303         pool->pages_nr++;
304         zhdr = init_zbud_page(page);
305         bud = FIRST;
306
307 found:
308         if (bud == FIRST)
309                 zhdr->first_chunks = chunks;
310         else
311                 zhdr->last_chunks = chunks;
312
313         if (zhdr->first_chunks == 0 || zhdr->last_chunks == 0) {
314                 /* Add to unbuddied list */
315                 freechunks = num_free_chunks(zhdr);
316                 list_add(&zhdr->buddy, &pool->unbuddied[freechunks]);
317         } else {
318                 /* Add to buddied list */
319                 list_add(&zhdr->buddy, &pool->buddied);
320         }
321
322         /* Add/move zbud page to beginning of LRU */
323         if (!list_empty(&zhdr->lru))
324                 list_del(&zhdr->lru);
325         list_add(&zhdr->lru, &pool->lru);
326
327         *handle = encode_handle(zhdr, bud);
328         spin_unlock(&pool->lock);
329
330         return 0;
331 }
332
333 /**
334  * zbud_free() - frees the allocation associated with the given handle
335  * @pool:       pool in which the allocation resided
336  * @handle:     handle associated with the allocation returned by zbud_alloc()
337  *
338  * In the case that the zbud page in which the allocation resides is under
339  * reclaim, as indicated by the PG_reclaim flag being set, this function
340  * only sets the first|last_chunks to 0.  The page is actually freed
341  * once both buddies are evicted (see zbud_reclaim_page() below).
342  */
343 static void zbud_free(struct zbud_pool *pool, unsigned long handle)
344 {
345         struct zbud_header *zhdr;
346         int freechunks;
347
348         spin_lock(&pool->lock);
349         zhdr = handle_to_zbud_header(handle);
350
351         /* If first buddy, handle will be page aligned */
352         if ((handle - ZHDR_SIZE_ALIGNED) & ~PAGE_MASK)
353                 zhdr->last_chunks = 0;
354         else
355                 zhdr->first_chunks = 0;
356
357         if (zhdr->under_reclaim) {
358                 /* zbud page is under reclaim, reclaim will free */
359                 spin_unlock(&pool->lock);
360                 return;
361         }
362
363         /* Remove from existing buddy list */
364         list_del(&zhdr->buddy);
365
366         if (zhdr->first_chunks == 0 && zhdr->last_chunks == 0) {
367                 /* zbud page is empty, free */
368                 list_del(&zhdr->lru);
369                 free_zbud_page(zhdr);
370                 pool->pages_nr--;
371         } else {
372                 /* Add to unbuddied list */
373                 freechunks = num_free_chunks(zhdr);
374                 list_add(&zhdr->buddy, &pool->unbuddied[freechunks]);
375         }
376
377         spin_unlock(&pool->lock);
378 }
379
380 /**
381  * zbud_reclaim_page() - evicts allocations from a pool page and frees it
382  * @pool:       pool from which a page will attempt to be evicted
383  * @retries:    number of pages on the LRU list for which eviction will
384  *              be attempted before failing
385  *
386  * zbud reclaim is different from normal system reclaim in that the reclaim is
387  * done from the bottom, up.  This is because only the bottom layer, zbud, has
388  * information on how the allocations are organized within each zbud page. This
389  * has the potential to create interesting locking situations between zbud and
390  * the user, however.
391  *
392  * To avoid these, this is how zbud_reclaim_page() should be called:
393  *
394  * The user detects a page should be reclaimed and calls zbud_reclaim_page().
395  * zbud_reclaim_page() will remove a zbud page from the pool LRU list and call
396  * the user-defined eviction handler with the pool and handle as arguments.
397  *
398  * If the handle can not be evicted, the eviction handler should return
399  * non-zero. zbud_reclaim_page() will add the zbud page back to the
400  * appropriate list and try the next zbud page on the LRU up to
401  * a user defined number of retries.
402  *
403  * If the handle is successfully evicted, the eviction handler should
404  * return 0 _and_ should have called zbud_free() on the handle. zbud_free()
405  * contains logic to delay freeing the page if the page is under reclaim,
406  * as indicated by the setting of the PG_reclaim flag on the underlying page.
407  *
408  * If all buddies in the zbud page are successfully evicted, then the
409  * zbud page can be freed.
410  *
411  * Returns: 0 if page is successfully freed, otherwise -EINVAL if there are
412  * no pages to evict or an eviction handler is not registered, -EAGAIN if
413  * the retry limit was hit.
414  */
415 static int zbud_reclaim_page(struct zbud_pool *pool, unsigned int retries)
416 {
417         int i, ret, freechunks;
418         struct zbud_header *zhdr;
419         unsigned long first_handle = 0, last_handle = 0;
420
421         spin_lock(&pool->lock);
422         if (!pool->ops || !pool->ops->evict || list_empty(&pool->lru) ||
423                         retries == 0) {
424                 spin_unlock(&pool->lock);
425                 return -EINVAL;
426         }
427         for (i = 0; i < retries; i++) {
428                 zhdr = list_last_entry(&pool->lru, struct zbud_header, lru);
429                 list_del(&zhdr->lru);
430                 list_del(&zhdr->buddy);
431                 /* Protect zbud page against free */
432                 zhdr->under_reclaim = true;
433                 /*
434                  * We need encode the handles before unlocking, since we can
435                  * race with free that will set (first|last)_chunks to 0
436                  */
437                 first_handle = 0;
438                 last_handle = 0;
439                 if (zhdr->first_chunks)
440                         first_handle = encode_handle(zhdr, FIRST);
441                 if (zhdr->last_chunks)
442                         last_handle = encode_handle(zhdr, LAST);
443                 spin_unlock(&pool->lock);
444
445                 /* Issue the eviction callback(s) */
446                 if (first_handle) {
447                         ret = pool->ops->evict(pool, first_handle);
448                         if (ret)
449                                 goto next;
450                 }
451                 if (last_handle) {
452                         ret = pool->ops->evict(pool, last_handle);
453                         if (ret)
454                                 goto next;
455                 }
456 next:
457                 spin_lock(&pool->lock);
458                 zhdr->under_reclaim = false;
459                 if (zhdr->first_chunks == 0 && zhdr->last_chunks == 0) {
460                         /*
461                          * Both buddies are now free, free the zbud page and
462                          * return success.
463                          */
464                         free_zbud_page(zhdr);
465                         pool->pages_nr--;
466                         spin_unlock(&pool->lock);
467                         return 0;
468                 } else if (zhdr->first_chunks == 0 ||
469                                 zhdr->last_chunks == 0) {
470                         /* add to unbuddied list */
471                         freechunks = num_free_chunks(zhdr);
472                         list_add(&zhdr->buddy, &pool->unbuddied[freechunks]);
473                 } else {
474                         /* add to buddied list */
475                         list_add(&zhdr->buddy, &pool->buddied);
476                 }
477
478                 /* add to beginning of LRU */
479                 list_add(&zhdr->lru, &pool->lru);
480         }
481         spin_unlock(&pool->lock);
482         return -EAGAIN;
483 }
484
485 /**
486  * zbud_map() - maps the allocation associated with the given handle
487  * @pool:       pool in which the allocation resides
488  * @handle:     handle associated with the allocation to be mapped
489  *
490  * While trivial for zbud, the mapping functions for others allocators
491  * implementing this allocation API could have more complex information encoded
492  * in the handle and could create temporary mappings to make the data
493  * accessible to the user.
494  *
495  * Returns: a pointer to the mapped allocation
496  */
497 static void *zbud_map(struct zbud_pool *pool, unsigned long handle)
498 {
499         return (void *)(handle);
500 }
501
502 /**
503  * zbud_unmap() - maps the allocation associated with the given handle
504  * @pool:       pool in which the allocation resides
505  * @handle:     handle associated with the allocation to be unmapped
506  */
507 static void zbud_unmap(struct zbud_pool *pool, unsigned long handle)
508 {
509 }
510
511 /**
512  * zbud_get_pool_size() - gets the zbud pool size in pages
513  * @pool:       pool whose size is being queried
514  *
515  * Returns: size in pages of the given pool.  The pool lock need not be
516  * taken to access pages_nr.
517  */
518 static u64 zbud_get_pool_size(struct zbud_pool *pool)
519 {
520         return pool->pages_nr;
521 }
522
523 /*****************
524  * zpool
525  ****************/
526
527 static int zbud_zpool_evict(struct zbud_pool *pool, unsigned long handle)
528 {
529         if (pool->zpool && pool->zpool_ops && pool->zpool_ops->evict)
530                 return pool->zpool_ops->evict(pool->zpool, handle);
531         else
532                 return -ENOENT;
533 }
534
535 static const struct zbud_ops zbud_zpool_ops = {
536         .evict =        zbud_zpool_evict
537 };
538
539 static void *zbud_zpool_create(const char *name, gfp_t gfp,
540                                const struct zpool_ops *zpool_ops,
541                                struct zpool *zpool)
542 {
543         struct zbud_pool *pool;
544
545         pool = zbud_create_pool(gfp, zpool_ops ? &zbud_zpool_ops : NULL);
546         if (pool) {
547                 pool->zpool = zpool;
548                 pool->zpool_ops = zpool_ops;
549         }
550         return pool;
551 }
552
553 static void zbud_zpool_destroy(void *pool)
554 {
555         zbud_destroy_pool(pool);
556 }
557
558 static int zbud_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
559                         unsigned long *handle)
560 {
561         return zbud_alloc(pool, size, gfp, handle);
562 }
563 static void zbud_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
564 {
565         zbud_free(pool, handle);
566 }
567
568 static int zbud_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
569                         unsigned int *reclaimed)
570 {
571         unsigned int total = 0;
572         int ret = -EINVAL;
573
574         while (total < pages) {
575                 ret = zbud_reclaim_page(pool, 8);
576                 if (ret < 0)
577                         break;
578                 total++;
579         }
580
581         if (reclaimed)
582                 *reclaimed = total;
583
584         return ret;
585 }
586
587 static void *zbud_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
588                         enum zpool_mapmode mm)
589 {
590         return zbud_map(pool, handle);
591 }
592 static void zbud_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
593 {
594         zbud_unmap(pool, handle);
595 }
596
597 static u64 zbud_zpool_total_size(void *pool)
598 {
599         return zbud_get_pool_size(pool) * PAGE_SIZE;
600 }
601
602 static struct zpool_driver zbud_zpool_driver = {
603         .type =         "zbud",
604         .sleep_mapped = true,
605         .owner =        THIS_MODULE,
606         .create =       zbud_zpool_create,
607         .destroy =      zbud_zpool_destroy,
608         .malloc =       zbud_zpool_malloc,
609         .free =         zbud_zpool_free,
610         .shrink =       zbud_zpool_shrink,
611         .map =          zbud_zpool_map,
612         .unmap =        zbud_zpool_unmap,
613         .total_size =   zbud_zpool_total_size,
614 };
615
616 MODULE_ALIAS("zpool-zbud");
617
618 static int __init init_zbud(void)
619 {
620         /* Make sure the zbud header will fit in one chunk */
621         BUILD_BUG_ON(sizeof(struct zbud_header) > ZHDR_SIZE_ALIGNED);
622         pr_info("loaded\n");
623
624         zpool_register_driver(&zbud_zpool_driver);
625
626         return 0;
627 }
628
629 static void __exit exit_zbud(void)
630 {
631         zpool_unregister_driver(&zbud_zpool_driver);
632         pr_info("unloaded\n");
633 }
634
635 module_init(init_zbud);
636 module_exit(exit_zbud);
637
638 MODULE_LICENSE("GPL");
639 MODULE_AUTHOR("Seth Jennings <sjennings@variantweb.net>");
640 MODULE_DESCRIPTION("Buddy Allocator for Compressed Pages");