zsmalloc: remove null check from destroy_handle_cache()
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / mm / zsmalloc.c
1 /*
2  * zsmalloc memory allocator
3  *
4  * Copyright (C) 2011  Nitin Gupta
5  * Copyright (C) 2012, 2013 Minchan Kim
6  *
7  * This code is released using a dual license strategy: BSD/GPL
8  * You can choose the license that better fits your requirements.
9  *
10  * Released under the terms of 3-clause BSD License
11  * Released under the terms of GNU General Public License Version 2.0
12  */
13
14 /*
15  * Following is how we use various fields and flags of underlying
16  * struct page(s) to form a zspage.
17  *
18  * Usage of struct page fields:
19  *      page->first_page: points to the first component (0-order) page
20  *      page->index (union with page->freelist): offset of the first object
21  *              starting in this page. For the first page, this is
22  *              always 0, so we use this field (aka freelist) to point
23  *              to the first free object in zspage.
24  *      page->lru: links together all component pages (except the first page)
25  *              of a zspage
26  *
27  *      For _first_ page only:
28  *
29  *      page->private (union with page->first_page): refers to the
30  *              component page after the first page
31  *              If the page is first_page for huge object, it stores handle.
32  *              Look at size_class->huge.
33  *      page->freelist: points to the first free object in zspage.
34  *              Free objects are linked together using in-place
35  *              metadata.
36  *      page->objects: maximum number of objects we can store in this
37  *              zspage (class->zspage_order * PAGE_SIZE / class->size)
38  *      page->lru: links together first pages of various zspages.
39  *              Basically forming list of zspages in a fullness group.
40  *      page->mapping: class index and fullness group of the zspage
41  *
42  * Usage of struct page flags:
43  *      PG_private: identifies the first component page
44  *      PG_private2: identifies the last component page
45  *
46  */
47
48 #include <linux/module.h>
49 #include <linux/kernel.h>
50 #include <linux/sched.h>
51 #include <linux/bitops.h>
52 #include <linux/errno.h>
53 #include <linux/highmem.h>
54 #include <linux/string.h>
55 #include <linux/slab.h>
56 #include <asm/tlbflush.h>
57 #include <asm/pgtable.h>
58 #include <linux/cpumask.h>
59 #include <linux/cpu.h>
60 #include <linux/vmalloc.h>
61 #include <linux/hardirq.h>
62 #include <linux/spinlock.h>
63 #include <linux/types.h>
64 #include <linux/debugfs.h>
65 #include <linux/zsmalloc.h>
66 #include <linux/zpool.h>
67
68 /*
69  * This must be power of 2 and greater than of equal to sizeof(link_free).
70  * These two conditions ensure that any 'struct link_free' itself doesn't
71  * span more than 1 page which avoids complex case of mapping 2 pages simply
72  * to restore link_free pointer values.
73  */
74 #define ZS_ALIGN                8
75
76 /*
77  * A single 'zspage' is composed of up to 2^N discontiguous 0-order (single)
78  * pages. ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER defines upper limit on N.
79  */
80 #define ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER 2
81 #define ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE (_AC(1, UL) << ZS_MAX_ZSPAGE_ORDER)
82
83 #define ZS_HANDLE_SIZE (sizeof(unsigned long))
84
85 /*
86  * Object location (<PFN>, <obj_idx>) is encoded as
87  * as single (unsigned long) handle value.
88  *
89  * Note that object index <obj_idx> is relative to system
90  * page <PFN> it is stored in, so for each sub-page belonging
91  * to a zspage, obj_idx starts with 0.
92  *
93  * This is made more complicated by various memory models and PAE.
94  */
95
96 #ifndef MAX_PHYSMEM_BITS
97 #ifdef CONFIG_HIGHMEM64G
98 #define MAX_PHYSMEM_BITS 36
99 #else /* !CONFIG_HIGHMEM64G */
100 /*
101  * If this definition of MAX_PHYSMEM_BITS is used, OBJ_INDEX_BITS will just
102  * be PAGE_SHIFT
103  */
104 #define MAX_PHYSMEM_BITS BITS_PER_LONG
105 #endif
106 #endif
107 #define _PFN_BITS               (MAX_PHYSMEM_BITS - PAGE_SHIFT)
108
109 /*
110  * Memory for allocating for handle keeps object position by
111  * encoding <page, obj_idx> and the encoded value has a room
112  * in least bit(ie, look at obj_to_location).
113  * We use the bit to synchronize between object access by
114  * user and migration.
115  */
116 #define HANDLE_PIN_BIT  0
117
118 /*
119  * Head in allocated object should have OBJ_ALLOCATED_TAG
120  * to identify the object was allocated or not.
121  * It's okay to add the status bit in the least bit because
122  * header keeps handle which is 4byte-aligned address so we
123  * have room for two bit at least.
124  */
125 #define OBJ_ALLOCATED_TAG 1
126 #define OBJ_TAG_BITS 1
127 #define OBJ_INDEX_BITS  (BITS_PER_LONG - _PFN_BITS - OBJ_TAG_BITS)
128 #define OBJ_INDEX_MASK  ((_AC(1, UL) << OBJ_INDEX_BITS) - 1)
129
130 #define MAX(a, b) ((a) >= (b) ? (a) : (b))
131 /* ZS_MIN_ALLOC_SIZE must be multiple of ZS_ALIGN */
132 #define ZS_MIN_ALLOC_SIZE \
133         MAX(32, (ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE << PAGE_SHIFT >> OBJ_INDEX_BITS))
134 /* each chunk includes extra space to keep handle */
135 #define ZS_MAX_ALLOC_SIZE       PAGE_SIZE
136
137 /*
138  * On systems with 4K page size, this gives 255 size classes! There is a
139  * trader-off here:
140  *  - Large number of size classes is potentially wasteful as free page are
141  *    spread across these classes
142  *  - Small number of size classes causes large internal fragmentation
143  *  - Probably its better to use specific size classes (empirically
144  *    determined). NOTE: all those class sizes must be set as multiple of
145  *    ZS_ALIGN to make sure link_free itself never has to span 2 pages.
146  *
147  *  ZS_MIN_ALLOC_SIZE and ZS_SIZE_CLASS_DELTA must be multiple of ZS_ALIGN
148  *  (reason above)
149  */
150 #define ZS_SIZE_CLASS_DELTA     (PAGE_SIZE >> 8)
151
152 /*
153  * We do not maintain any list for completely empty or full pages
154  */
155 enum fullness_group {
156         ZS_ALMOST_FULL,
157         ZS_ALMOST_EMPTY,
158         _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS,
159
160         ZS_EMPTY,
161         ZS_FULL
162 };
163
164 enum zs_stat_type {
165         OBJ_ALLOCATED,
166         OBJ_USED,
167         CLASS_ALMOST_FULL,
168         CLASS_ALMOST_EMPTY,
169         NR_ZS_STAT_TYPE,
170 };
171
172 struct zs_size_stat {
173         unsigned long objs[NR_ZS_STAT_TYPE];
174 };
175
176 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
177 static struct dentry *zs_stat_root;
178 #endif
179
180 /*
181  * number of size_classes
182  */
183 static int zs_size_classes;
184
185 /*
186  * We assign a page to ZS_ALMOST_EMPTY fullness group when:
187  *      n <= N / f, where
188  * n = number of allocated objects
189  * N = total number of objects zspage can store
190  * f = fullness_threshold_frac
191  *
192  * Similarly, we assign zspage to:
193  *      ZS_ALMOST_FULL  when n > N / f
194  *      ZS_EMPTY        when n == 0
195  *      ZS_FULL         when n == N
196  *
197  * (see: fix_fullness_group())
198  */
199 static const int fullness_threshold_frac = 4;
200
201 struct size_class {
202         spinlock_t lock;
203         struct page *fullness_list[_ZS_NR_FULLNESS_GROUPS];
204         /*
205          * Size of objects stored in this class. Must be multiple
206          * of ZS_ALIGN.
207          */
208         int size;
209         unsigned int index;
210
211         /* Number of PAGE_SIZE sized pages to combine to form a 'zspage' */
212         int pages_per_zspage;
213         struct zs_size_stat stats;
214
215         /* huge object: pages_per_zspage == 1 && maxobj_per_zspage == 1 */
216         bool huge;
217 };
218
219 /*
220  * Placed within free objects to form a singly linked list.
221  * For every zspage, first_page->freelist gives head of this list.
222  *
223  * This must be power of 2 and less than or equal to ZS_ALIGN
224  */
225 struct link_free {
226         union {
227                 /*
228                  * Position of next free chunk (encodes <PFN, obj_idx>)
229                  * It's valid for non-allocated object
230                  */
231                 void *next;
232                 /*
233                  * Handle of allocated object.
234                  */
235                 unsigned long handle;
236         };
237 };
238
239 struct zs_pool {
240         char *name;
241
242         struct size_class **size_class;
243         struct kmem_cache *handle_cachep;
244
245         gfp_t flags;    /* allocation flags used when growing pool */
246         atomic_long_t pages_allocated;
247
248         struct zs_pool_stats stats;
249
250         /* Compact classes */
251         struct shrinker shrinker;
252         /*
253          * To signify that register_shrinker() was successful
254          * and unregister_shrinker() will not Oops.
255          */
256         bool shrinker_enabled;
257 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
258         struct dentry *stat_dentry;
259 #endif
260 };
261
262 /*
263  * A zspage's class index and fullness group
264  * are encoded in its (first)page->mapping
265  */
266 #define CLASS_IDX_BITS  28
267 #define FULLNESS_BITS   4
268 #define CLASS_IDX_MASK  ((1 << CLASS_IDX_BITS) - 1)
269 #define FULLNESS_MASK   ((1 << FULLNESS_BITS) - 1)
270
271 struct mapping_area {
272 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
273         struct vm_struct *vm; /* vm area for mapping object that span pages */
274 #else
275         char *vm_buf; /* copy buffer for objects that span pages */
276 #endif
277         char *vm_addr; /* address of kmap_atomic()'ed pages */
278         enum zs_mapmode vm_mm; /* mapping mode */
279         bool huge;
280 };
281
282 static int create_handle_cache(struct zs_pool *pool)
283 {
284         pool->handle_cachep = kmem_cache_create("zs_handle", ZS_HANDLE_SIZE,
285                                         0, 0, NULL);
286         return pool->handle_cachep ? 0 : 1;
287 }
288
289 static void destroy_handle_cache(struct zs_pool *pool)
290 {
291         kmem_cache_destroy(pool->handle_cachep);
292 }
293
294 static unsigned long alloc_handle(struct zs_pool *pool)
295 {
296         return (unsigned long)kmem_cache_alloc(pool->handle_cachep,
297                 pool->flags & ~__GFP_HIGHMEM);
298 }
299
300 static void free_handle(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
301 {
302         kmem_cache_free(pool->handle_cachep, (void *)handle);
303 }
304
305 static void record_obj(unsigned long handle, unsigned long obj)
306 {
307         *(unsigned long *)handle = obj;
308 }
309
310 /* zpool driver */
311
312 #ifdef CONFIG_ZPOOL
313
314 static void *zs_zpool_create(char *name, gfp_t gfp, struct zpool_ops *zpool_ops,
315                              struct zpool *zpool)
316 {
317         return zs_create_pool(name, gfp);
318 }
319
320 static void zs_zpool_destroy(void *pool)
321 {
322         zs_destroy_pool(pool);
323 }
324
325 static int zs_zpool_malloc(void *pool, size_t size, gfp_t gfp,
326                         unsigned long *handle)
327 {
328         *handle = zs_malloc(pool, size);
329         return *handle ? 0 : -1;
330 }
331 static void zs_zpool_free(void *pool, unsigned long handle)
332 {
333         zs_free(pool, handle);
334 }
335
336 static int zs_zpool_shrink(void *pool, unsigned int pages,
337                         unsigned int *reclaimed)
338 {
339         return -EINVAL;
340 }
341
342 static void *zs_zpool_map(void *pool, unsigned long handle,
343                         enum zpool_mapmode mm)
344 {
345         enum zs_mapmode zs_mm;
346
347         switch (mm) {
348         case ZPOOL_MM_RO:
349                 zs_mm = ZS_MM_RO;
350                 break;
351         case ZPOOL_MM_WO:
352                 zs_mm = ZS_MM_WO;
353                 break;
354         case ZPOOL_MM_RW: /* fallthru */
355         default:
356                 zs_mm = ZS_MM_RW;
357                 break;
358         }
359
360         return zs_map_object(pool, handle, zs_mm);
361 }
362 static void zs_zpool_unmap(void *pool, unsigned long handle)
363 {
364         zs_unmap_object(pool, handle);
365 }
366
367 static u64 zs_zpool_total_size(void *pool)
368 {
369         return zs_get_total_pages(pool) << PAGE_SHIFT;
370 }
371
372 static struct zpool_driver zs_zpool_driver = {
373         .type =         "zsmalloc",
374         .owner =        THIS_MODULE,
375         .create =       zs_zpool_create,
376         .destroy =      zs_zpool_destroy,
377         .malloc =       zs_zpool_malloc,
378         .free =         zs_zpool_free,
379         .shrink =       zs_zpool_shrink,
380         .map =          zs_zpool_map,
381         .unmap =        zs_zpool_unmap,
382         .total_size =   zs_zpool_total_size,
383 };
384
385 MODULE_ALIAS("zpool-zsmalloc");
386 #endif /* CONFIG_ZPOOL */
387
388 static unsigned int get_maxobj_per_zspage(int size, int pages_per_zspage)
389 {
390         return pages_per_zspage * PAGE_SIZE / size;
391 }
392
393 /* per-cpu VM mapping areas for zspage accesses that cross page boundaries */
394 static DEFINE_PER_CPU(struct mapping_area, zs_map_area);
395
396 static int is_first_page(struct page *page)
397 {
398         return PagePrivate(page);
399 }
400
401 static int is_last_page(struct page *page)
402 {
403         return PagePrivate2(page);
404 }
405
406 static void get_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int *class_idx,
407                                 enum fullness_group *fullness)
408 {
409         unsigned long m;
410         BUG_ON(!is_first_page(page));
411
412         m = (unsigned long)page->mapping;
413         *fullness = m & FULLNESS_MASK;
414         *class_idx = (m >> FULLNESS_BITS) & CLASS_IDX_MASK;
415 }
416
417 static void set_zspage_mapping(struct page *page, unsigned int class_idx,
418                                 enum fullness_group fullness)
419 {
420         unsigned long m;
421         BUG_ON(!is_first_page(page));
422
423         m = ((class_idx & CLASS_IDX_MASK) << FULLNESS_BITS) |
424                         (fullness & FULLNESS_MASK);
425         page->mapping = (struct address_space *)m;
426 }
427
428 /*
429  * zsmalloc divides the pool into various size classes where each
430  * class maintains a list of zspages where each zspage is divided
431  * into equal sized chunks. Each allocation falls into one of these
432  * classes depending on its size. This function returns index of the
433  * size class which has chunk size big enough to hold the give size.
434  */
435 static int get_size_class_index(int size)
436 {
437         int idx = 0;
438
439         if (likely(size > ZS_MIN_ALLOC_SIZE))
440                 idx = DIV_ROUND_UP(size - ZS_MIN_ALLOC_SIZE,
441                                 ZS_SIZE_CLASS_DELTA);
442
443         return min(zs_size_classes - 1, idx);
444 }
445
446 static inline void zs_stat_inc(struct size_class *class,
447                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
448 {
449         class->stats.objs[type] += cnt;
450 }
451
452 static inline void zs_stat_dec(struct size_class *class,
453                                 enum zs_stat_type type, unsigned long cnt)
454 {
455         class->stats.objs[type] -= cnt;
456 }
457
458 static inline unsigned long zs_stat_get(struct size_class *class,
459                                 enum zs_stat_type type)
460 {
461         return class->stats.objs[type];
462 }
463
464 #ifdef CONFIG_ZSMALLOC_STAT
465
466 static int __init zs_stat_init(void)
467 {
468         if (!debugfs_initialized())
469                 return -ENODEV;
470
471         zs_stat_root = debugfs_create_dir("zsmalloc", NULL);
472         if (!zs_stat_root)
473                 return -ENOMEM;
474
475         return 0;
476 }
477
478 static void __exit zs_stat_exit(void)
479 {
480         debugfs_remove_recursive(zs_stat_root);
481 }
482
483 static int zs_stats_size_show(struct seq_file *s, void *v)
484 {
485         int i;
486         struct zs_pool *pool = s->private;
487         struct size_class *class;
488         int objs_per_zspage;
489         unsigned long class_almost_full, class_almost_empty;
490         unsigned long obj_allocated, obj_used, pages_used;
491         unsigned long total_class_almost_full = 0, total_class_almost_empty = 0;
492         unsigned long total_objs = 0, total_used_objs = 0, total_pages = 0;
493
494         seq_printf(s, " %5s %5s %11s %12s %13s %10s %10s %16s\n",
495                         "class", "size", "almost_full", "almost_empty",
496                         "obj_allocated", "obj_used", "pages_used",
497                         "pages_per_zspage");
498
499         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
500                 class = pool->size_class[i];
501
502                 if (class->index != i)
503                         continue;
504
505                 spin_lock(&class->lock);
506                 class_almost_full = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_FULL);
507                 class_almost_empty = zs_stat_get(class, CLASS_ALMOST_EMPTY);
508                 obj_allocated = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED);
509                 obj_used = zs_stat_get(class, OBJ_USED);
510                 spin_unlock(&class->lock);
511
512                 objs_per_zspage = get_maxobj_per_zspage(class->size,
513                                 class->pages_per_zspage);
514                 pages_used = obj_allocated / objs_per_zspage *
515                                 class->pages_per_zspage;
516
517                 seq_printf(s, " %5u %5u %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu %16d\n",
518                         i, class->size, class_almost_full, class_almost_empty,
519                         obj_allocated, obj_used, pages_used,
520                         class->pages_per_zspage);
521
522                 total_class_almost_full += class_almost_full;
523                 total_class_almost_empty += class_almost_empty;
524                 total_objs += obj_allocated;
525                 total_used_objs += obj_used;
526                 total_pages += pages_used;
527         }
528
529         seq_puts(s, "\n");
530         seq_printf(s, " %5s %5s %11lu %12lu %13lu %10lu %10lu\n",
531                         "Total", "", total_class_almost_full,
532                         total_class_almost_empty, total_objs,
533                         total_used_objs, total_pages);
534
535         return 0;
536 }
537
538 static int zs_stats_size_open(struct inode *inode, struct file *file)
539 {
540         return single_open(file, zs_stats_size_show, inode->i_private);
541 }
542
543 static const struct file_operations zs_stat_size_ops = {
544         .open           = zs_stats_size_open,
545         .read           = seq_read,
546         .llseek         = seq_lseek,
547         .release        = single_release,
548 };
549
550 static int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
551 {
552         struct dentry *entry;
553
554         if (!zs_stat_root)
555                 return -ENODEV;
556
557         entry = debugfs_create_dir(name, zs_stat_root);
558         if (!entry) {
559                 pr_warn("debugfs dir <%s> creation failed\n", name);
560                 return -ENOMEM;
561         }
562         pool->stat_dentry = entry;
563
564         entry = debugfs_create_file("classes", S_IFREG | S_IRUGO,
565                         pool->stat_dentry, pool, &zs_stat_size_ops);
566         if (!entry) {
567                 pr_warn("%s: debugfs file entry <%s> creation failed\n",
568                                 name, "classes");
569                 return -ENOMEM;
570         }
571
572         return 0;
573 }
574
575 static void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
576 {
577         debugfs_remove_recursive(pool->stat_dentry);
578 }
579
580 #else /* CONFIG_ZSMALLOC_STAT */
581 static int __init zs_stat_init(void)
582 {
583         return 0;
584 }
585
586 static void __exit zs_stat_exit(void)
587 {
588 }
589
590 static inline int zs_pool_stat_create(char *name, struct zs_pool *pool)
591 {
592         return 0;
593 }
594
595 static inline void zs_pool_stat_destroy(struct zs_pool *pool)
596 {
597 }
598 #endif
599
600
601 /*
602  * For each size class, zspages are divided into different groups
603  * depending on how "full" they are. This was done so that we could
604  * easily find empty or nearly empty zspages when we try to shrink
605  * the pool (not yet implemented). This function returns fullness
606  * status of the given page.
607  */
608 static enum fullness_group get_fullness_group(struct page *page)
609 {
610         int inuse, max_objects;
611         enum fullness_group fg;
612         BUG_ON(!is_first_page(page));
613
614         inuse = page->inuse;
615         max_objects = page->objects;
616
617         if (inuse == 0)
618                 fg = ZS_EMPTY;
619         else if (inuse == max_objects)
620                 fg = ZS_FULL;
621         else if (inuse <= 3 * max_objects / fullness_threshold_frac)
622                 fg = ZS_ALMOST_EMPTY;
623         else
624                 fg = ZS_ALMOST_FULL;
625
626         return fg;
627 }
628
629 /*
630  * Each size class maintains various freelists and zspages are assigned
631  * to one of these freelists based on the number of live objects they
632  * have. This functions inserts the given zspage into the freelist
633  * identified by <class, fullness_group>.
634  */
635 static void insert_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
636                                 enum fullness_group fullness)
637 {
638         struct page **head;
639
640         BUG_ON(!is_first_page(page));
641
642         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
643                 return;
644
645         zs_stat_inc(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
646                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
647
648         head = &class->fullness_list[fullness];
649         if (!*head) {
650                 *head = page;
651                 return;
652         }
653
654         /*
655          * We want to see more ZS_FULL pages and less almost
656          * empty/full. Put pages with higher ->inuse first.
657          */
658         list_add_tail(&page->lru, &(*head)->lru);
659         if (page->inuse >= (*head)->inuse)
660                 *head = page;
661 }
662
663 /*
664  * This function removes the given zspage from the freelist identified
665  * by <class, fullness_group>.
666  */
667 static void remove_zspage(struct page *page, struct size_class *class,
668                                 enum fullness_group fullness)
669 {
670         struct page **head;
671
672         BUG_ON(!is_first_page(page));
673
674         if (fullness >= _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS)
675                 return;
676
677         head = &class->fullness_list[fullness];
678         BUG_ON(!*head);
679         if (list_empty(&(*head)->lru))
680                 *head = NULL;
681         else if (*head == page)
682                 *head = (struct page *)list_entry((*head)->lru.next,
683                                         struct page, lru);
684
685         list_del_init(&page->lru);
686         zs_stat_dec(class, fullness == ZS_ALMOST_EMPTY ?
687                         CLASS_ALMOST_EMPTY : CLASS_ALMOST_FULL, 1);
688 }
689
690 /*
691  * Each size class maintains zspages in different fullness groups depending
692  * on the number of live objects they contain. When allocating or freeing
693  * objects, the fullness status of the page can change, say, from ALMOST_FULL
694  * to ALMOST_EMPTY when freeing an object. This function checks if such
695  * a status change has occurred for the given page and accordingly moves the
696  * page from the freelist of the old fullness group to that of the new
697  * fullness group.
698  */
699 static enum fullness_group fix_fullness_group(struct size_class *class,
700                                                 struct page *page)
701 {
702         int class_idx;
703         enum fullness_group currfg, newfg;
704
705         BUG_ON(!is_first_page(page));
706
707         get_zspage_mapping(page, &class_idx, &currfg);
708         newfg = get_fullness_group(page);
709         if (newfg == currfg)
710                 goto out;
711
712         remove_zspage(page, class, currfg);
713         insert_zspage(page, class, newfg);
714         set_zspage_mapping(page, class_idx, newfg);
715
716 out:
717         return newfg;
718 }
719
720 /*
721  * We have to decide on how many pages to link together
722  * to form a zspage for each size class. This is important
723  * to reduce wastage due to unusable space left at end of
724  * each zspage which is given as:
725  *     wastage = Zp % class_size
726  *     usage = Zp - wastage
727  * where Zp = zspage size = k * PAGE_SIZE where k = 1, 2, ...
728  *
729  * For example, for size class of 3/8 * PAGE_SIZE, we should
730  * link together 3 PAGE_SIZE sized pages to form a zspage
731  * since then we can perfectly fit in 8 such objects.
732  */
733 static int get_pages_per_zspage(int class_size)
734 {
735         int i, max_usedpc = 0;
736         /* zspage order which gives maximum used size per KB */
737         int max_usedpc_order = 1;
738
739         for (i = 1; i <= ZS_MAX_PAGES_PER_ZSPAGE; i++) {
740                 int zspage_size;
741                 int waste, usedpc;
742
743                 zspage_size = i * PAGE_SIZE;
744                 waste = zspage_size % class_size;
745                 usedpc = (zspage_size - waste) * 100 / zspage_size;
746
747                 if (usedpc > max_usedpc) {
748                         max_usedpc = usedpc;
749                         max_usedpc_order = i;
750                 }
751         }
752
753         return max_usedpc_order;
754 }
755
756 /*
757  * A single 'zspage' is composed of many system pages which are
758  * linked together using fields in struct page. This function finds
759  * the first/head page, given any component page of a zspage.
760  */
761 static struct page *get_first_page(struct page *page)
762 {
763         if (is_first_page(page))
764                 return page;
765         else
766                 return page->first_page;
767 }
768
769 static struct page *get_next_page(struct page *page)
770 {
771         struct page *next;
772
773         if (is_last_page(page))
774                 next = NULL;
775         else if (is_first_page(page))
776                 next = (struct page *)page_private(page);
777         else
778                 next = list_entry(page->lru.next, struct page, lru);
779
780         return next;
781 }
782
783 /*
784  * Encode <page, obj_idx> as a single handle value.
785  * We use the least bit of handle for tagging.
786  */
787 static void *location_to_obj(struct page *page, unsigned long obj_idx)
788 {
789         unsigned long obj;
790
791         if (!page) {
792                 BUG_ON(obj_idx);
793                 return NULL;
794         }
795
796         obj = page_to_pfn(page) << OBJ_INDEX_BITS;
797         obj |= ((obj_idx) & OBJ_INDEX_MASK);
798         obj <<= OBJ_TAG_BITS;
799
800         return (void *)obj;
801 }
802
803 /*
804  * Decode <page, obj_idx> pair from the given object handle. We adjust the
805  * decoded obj_idx back to its original value since it was adjusted in
806  * location_to_obj().
807  */
808 static void obj_to_location(unsigned long obj, struct page **page,
809                                 unsigned long *obj_idx)
810 {
811         obj >>= OBJ_TAG_BITS;
812         *page = pfn_to_page(obj >> OBJ_INDEX_BITS);
813         *obj_idx = (obj & OBJ_INDEX_MASK);
814 }
815
816 static unsigned long handle_to_obj(unsigned long handle)
817 {
818         return *(unsigned long *)handle;
819 }
820
821 static unsigned long obj_to_head(struct size_class *class, struct page *page,
822                         void *obj)
823 {
824         if (class->huge) {
825                 VM_BUG_ON(!is_first_page(page));
826                 return *(unsigned long *)page_private(page);
827         } else
828                 return *(unsigned long *)obj;
829 }
830
831 static unsigned long obj_idx_to_offset(struct page *page,
832                                 unsigned long obj_idx, int class_size)
833 {
834         unsigned long off = 0;
835
836         if (!is_first_page(page))
837                 off = page->index;
838
839         return off + obj_idx * class_size;
840 }
841
842 static inline int trypin_tag(unsigned long handle)
843 {
844         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
845
846         return !test_and_set_bit_lock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
847 }
848
849 static void pin_tag(unsigned long handle)
850 {
851         while (!trypin_tag(handle));
852 }
853
854 static void unpin_tag(unsigned long handle)
855 {
856         unsigned long *ptr = (unsigned long *)handle;
857
858         clear_bit_unlock(HANDLE_PIN_BIT, ptr);
859 }
860
861 static void reset_page(struct page *page)
862 {
863         clear_bit(PG_private, &page->flags);
864         clear_bit(PG_private_2, &page->flags);
865         set_page_private(page, 0);
866         page->mapping = NULL;
867         page->freelist = NULL;
868         page_mapcount_reset(page);
869 }
870
871 static void free_zspage(struct page *first_page)
872 {
873         struct page *nextp, *tmp, *head_extra;
874
875         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
876         BUG_ON(first_page->inuse);
877
878         head_extra = (struct page *)page_private(first_page);
879
880         reset_page(first_page);
881         __free_page(first_page);
882
883         /* zspage with only 1 system page */
884         if (!head_extra)
885                 return;
886
887         list_for_each_entry_safe(nextp, tmp, &head_extra->lru, lru) {
888                 list_del(&nextp->lru);
889                 reset_page(nextp);
890                 __free_page(nextp);
891         }
892         reset_page(head_extra);
893         __free_page(head_extra);
894 }
895
896 /* Initialize a newly allocated zspage */
897 static void init_zspage(struct page *first_page, struct size_class *class)
898 {
899         unsigned long off = 0;
900         struct page *page = first_page;
901
902         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
903         while (page) {
904                 struct page *next_page;
905                 struct link_free *link;
906                 unsigned int i = 1;
907                 void *vaddr;
908
909                 /*
910                  * page->index stores offset of first object starting
911                  * in the page. For the first page, this is always 0,
912                  * so we use first_page->index (aka ->freelist) to store
913                  * head of corresponding zspage's freelist.
914                  */
915                 if (page != first_page)
916                         page->index = off;
917
918                 vaddr = kmap_atomic(page);
919                 link = (struct link_free *)vaddr + off / sizeof(*link);
920
921                 while ((off += class->size) < PAGE_SIZE) {
922                         link->next = location_to_obj(page, i++);
923                         link += class->size / sizeof(*link);
924                 }
925
926                 /*
927                  * We now come to the last (full or partial) object on this
928                  * page, which must point to the first object on the next
929                  * page (if present)
930                  */
931                 next_page = get_next_page(page);
932                 link->next = location_to_obj(next_page, 0);
933                 kunmap_atomic(vaddr);
934                 page = next_page;
935                 off %= PAGE_SIZE;
936         }
937 }
938
939 /*
940  * Allocate a zspage for the given size class
941  */
942 static struct page *alloc_zspage(struct size_class *class, gfp_t flags)
943 {
944         int i, error;
945         struct page *first_page = NULL, *uninitialized_var(prev_page);
946
947         /*
948          * Allocate individual pages and link them together as:
949          * 1. first page->private = first sub-page
950          * 2. all sub-pages are linked together using page->lru
951          * 3. each sub-page is linked to the first page using page->first_page
952          *
953          * For each size class, First/Head pages are linked together using
954          * page->lru. Also, we set PG_private to identify the first page
955          * (i.e. no other sub-page has this flag set) and PG_private_2 to
956          * identify the last page.
957          */
958         error = -ENOMEM;
959         for (i = 0; i < class->pages_per_zspage; i++) {
960                 struct page *page;
961
962                 page = alloc_page(flags);
963                 if (!page)
964                         goto cleanup;
965
966                 INIT_LIST_HEAD(&page->lru);
967                 if (i == 0) {   /* first page */
968                         SetPagePrivate(page);
969                         set_page_private(page, 0);
970                         first_page = page;
971                         first_page->inuse = 0;
972                 }
973                 if (i == 1)
974                         set_page_private(first_page, (unsigned long)page);
975                 if (i >= 1)
976                         page->first_page = first_page;
977                 if (i >= 2)
978                         list_add(&page->lru, &prev_page->lru);
979                 if (i == class->pages_per_zspage - 1)   /* last page */
980                         SetPagePrivate2(page);
981                 prev_page = page;
982         }
983
984         init_zspage(first_page, class);
985
986         first_page->freelist = location_to_obj(first_page, 0);
987         /* Maximum number of objects we can store in this zspage */
988         first_page->objects = class->pages_per_zspage * PAGE_SIZE / class->size;
989
990         error = 0; /* Success */
991
992 cleanup:
993         if (unlikely(error) && first_page) {
994                 free_zspage(first_page);
995                 first_page = NULL;
996         }
997
998         return first_page;
999 }
1000
1001 static struct page *find_get_zspage(struct size_class *class)
1002 {
1003         int i;
1004         struct page *page;
1005
1006         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1007                 page = class->fullness_list[i];
1008                 if (page)
1009                         break;
1010         }
1011
1012         return page;
1013 }
1014
1015 #ifdef CONFIG_PGTABLE_MAPPING
1016 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1017 {
1018         /*
1019          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1020          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1021          */
1022         if (area->vm)
1023                 return 0;
1024         area->vm = alloc_vm_area(PAGE_SIZE * 2, NULL);
1025         if (!area->vm)
1026                 return -ENOMEM;
1027         return 0;
1028 }
1029
1030 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1031 {
1032         if (area->vm)
1033                 free_vm_area(area->vm);
1034         area->vm = NULL;
1035 }
1036
1037 static inline void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1038                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1039 {
1040         BUG_ON(map_vm_area(area->vm, PAGE_KERNEL, pages));
1041         area->vm_addr = area->vm->addr;
1042         return area->vm_addr + off;
1043 }
1044
1045 static inline void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1046                                 struct page *pages[2], int off, int size)
1047 {
1048         unsigned long addr = (unsigned long)area->vm_addr;
1049
1050         unmap_kernel_range(addr, PAGE_SIZE * 2);
1051 }
1052
1053 #else /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1054
1055 static inline int __zs_cpu_up(struct mapping_area *area)
1056 {
1057         /*
1058          * Make sure we don't leak memory if a cpu UP notification
1059          * and zs_init() race and both call zs_cpu_up() on the same cpu
1060          */
1061         if (area->vm_buf)
1062                 return 0;
1063         area->vm_buf = kmalloc(ZS_MAX_ALLOC_SIZE, GFP_KERNEL);
1064         if (!area->vm_buf)
1065                 return -ENOMEM;
1066         return 0;
1067 }
1068
1069 static inline void __zs_cpu_down(struct mapping_area *area)
1070 {
1071         kfree(area->vm_buf);
1072         area->vm_buf = NULL;
1073 }
1074
1075 static void *__zs_map_object(struct mapping_area *area,
1076                         struct page *pages[2], int off, int size)
1077 {
1078         int sizes[2];
1079         void *addr;
1080         char *buf = area->vm_buf;
1081
1082         /* disable page faults to match kmap_atomic() return conditions */
1083         pagefault_disable();
1084
1085         /* no read fastpath */
1086         if (area->vm_mm == ZS_MM_WO)
1087                 goto out;
1088
1089         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1090         sizes[1] = size - sizes[0];
1091
1092         /* copy object to per-cpu buffer */
1093         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1094         memcpy(buf, addr + off, sizes[0]);
1095         kunmap_atomic(addr);
1096         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1097         memcpy(buf + sizes[0], addr, sizes[1]);
1098         kunmap_atomic(addr);
1099 out:
1100         return area->vm_buf;
1101 }
1102
1103 static void __zs_unmap_object(struct mapping_area *area,
1104                         struct page *pages[2], int off, int size)
1105 {
1106         int sizes[2];
1107         void *addr;
1108         char *buf;
1109
1110         /* no write fastpath */
1111         if (area->vm_mm == ZS_MM_RO)
1112                 goto out;
1113
1114         buf = area->vm_buf;
1115         if (!area->huge) {
1116                 buf = buf + ZS_HANDLE_SIZE;
1117                 size -= ZS_HANDLE_SIZE;
1118                 off += ZS_HANDLE_SIZE;
1119         }
1120
1121         sizes[0] = PAGE_SIZE - off;
1122         sizes[1] = size - sizes[0];
1123
1124         /* copy per-cpu buffer to object */
1125         addr = kmap_atomic(pages[0]);
1126         memcpy(addr + off, buf, sizes[0]);
1127         kunmap_atomic(addr);
1128         addr = kmap_atomic(pages[1]);
1129         memcpy(addr, buf + sizes[0], sizes[1]);
1130         kunmap_atomic(addr);
1131
1132 out:
1133         /* enable page faults to match kunmap_atomic() return conditions */
1134         pagefault_enable();
1135 }
1136
1137 #endif /* CONFIG_PGTABLE_MAPPING */
1138
1139 static int zs_cpu_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
1140                                 void *pcpu)
1141 {
1142         int ret, cpu = (long)pcpu;
1143         struct mapping_area *area;
1144
1145         switch (action) {
1146         case CPU_UP_PREPARE:
1147                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1148                 ret = __zs_cpu_up(area);
1149                 if (ret)
1150                         return notifier_from_errno(ret);
1151                 break;
1152         case CPU_DEAD:
1153         case CPU_UP_CANCELED:
1154                 area = &per_cpu(zs_map_area, cpu);
1155                 __zs_cpu_down(area);
1156                 break;
1157         }
1158
1159         return NOTIFY_OK;
1160 }
1161
1162 static struct notifier_block zs_cpu_nb = {
1163         .notifier_call = zs_cpu_notifier
1164 };
1165
1166 static int zs_register_cpu_notifier(void)
1167 {
1168         int cpu, uninitialized_var(ret);
1169
1170         cpu_notifier_register_begin();
1171
1172         __register_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1173         for_each_online_cpu(cpu) {
1174                 ret = zs_cpu_notifier(NULL, CPU_UP_PREPARE, (void *)(long)cpu);
1175                 if (notifier_to_errno(ret))
1176                         break;
1177         }
1178
1179         cpu_notifier_register_done();
1180         return notifier_to_errno(ret);
1181 }
1182
1183 static void zs_unregister_cpu_notifier(void)
1184 {
1185         int cpu;
1186
1187         cpu_notifier_register_begin();
1188
1189         for_each_online_cpu(cpu)
1190                 zs_cpu_notifier(NULL, CPU_DEAD, (void *)(long)cpu);
1191         __unregister_cpu_notifier(&zs_cpu_nb);
1192
1193         cpu_notifier_register_done();
1194 }
1195
1196 static void init_zs_size_classes(void)
1197 {
1198         int nr;
1199
1200         nr = (ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) / ZS_SIZE_CLASS_DELTA + 1;
1201         if ((ZS_MAX_ALLOC_SIZE - ZS_MIN_ALLOC_SIZE) % ZS_SIZE_CLASS_DELTA)
1202                 nr += 1;
1203
1204         zs_size_classes = nr;
1205 }
1206
1207 static bool can_merge(struct size_class *prev, int size, int pages_per_zspage)
1208 {
1209         if (prev->pages_per_zspage != pages_per_zspage)
1210                 return false;
1211
1212         if (get_maxobj_per_zspage(prev->size, prev->pages_per_zspage)
1213                 != get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage))
1214                 return false;
1215
1216         return true;
1217 }
1218
1219 static bool zspage_full(struct page *page)
1220 {
1221         BUG_ON(!is_first_page(page));
1222
1223         return page->inuse == page->objects;
1224 }
1225
1226 unsigned long zs_get_total_pages(struct zs_pool *pool)
1227 {
1228         return atomic_long_read(&pool->pages_allocated);
1229 }
1230 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_get_total_pages);
1231
1232 /**
1233  * zs_map_object - get address of allocated object from handle.
1234  * @pool: pool from which the object was allocated
1235  * @handle: handle returned from zs_malloc
1236  *
1237  * Before using an object allocated from zs_malloc, it must be mapped using
1238  * this function. When done with the object, it must be unmapped using
1239  * zs_unmap_object.
1240  *
1241  * Only one object can be mapped per cpu at a time. There is no protection
1242  * against nested mappings.
1243  *
1244  * This function returns with preemption and page faults disabled.
1245  */
1246 void *zs_map_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle,
1247                         enum zs_mapmode mm)
1248 {
1249         struct page *page;
1250         unsigned long obj, obj_idx, off;
1251
1252         unsigned int class_idx;
1253         enum fullness_group fg;
1254         struct size_class *class;
1255         struct mapping_area *area;
1256         struct page *pages[2];
1257         void *ret;
1258
1259         BUG_ON(!handle);
1260
1261         /*
1262          * Because we use per-cpu mapping areas shared among the
1263          * pools/users, we can't allow mapping in interrupt context
1264          * because it can corrupt another users mappings.
1265          */
1266         BUG_ON(in_interrupt());
1267
1268         /* From now on, migration cannot move the object */
1269         pin_tag(handle);
1270
1271         obj = handle_to_obj(handle);
1272         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1273         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1274         class = pool->size_class[class_idx];
1275         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1276
1277         area = &get_cpu_var(zs_map_area);
1278         area->vm_mm = mm;
1279         if (off + class->size <= PAGE_SIZE) {
1280                 /* this object is contained entirely within a page */
1281                 area->vm_addr = kmap_atomic(page);
1282                 ret = area->vm_addr + off;
1283                 goto out;
1284         }
1285
1286         /* this object spans two pages */
1287         pages[0] = page;
1288         pages[1] = get_next_page(page);
1289         BUG_ON(!pages[1]);
1290
1291         ret = __zs_map_object(area, pages, off, class->size);
1292 out:
1293         if (!class->huge)
1294                 ret += ZS_HANDLE_SIZE;
1295
1296         return ret;
1297 }
1298 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_map_object);
1299
1300 void zs_unmap_object(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1301 {
1302         struct page *page;
1303         unsigned long obj, obj_idx, off;
1304
1305         unsigned int class_idx;
1306         enum fullness_group fg;
1307         struct size_class *class;
1308         struct mapping_area *area;
1309
1310         BUG_ON(!handle);
1311
1312         obj = handle_to_obj(handle);
1313         obj_to_location(obj, &page, &obj_idx);
1314         get_zspage_mapping(get_first_page(page), &class_idx, &fg);
1315         class = pool->size_class[class_idx];
1316         off = obj_idx_to_offset(page, obj_idx, class->size);
1317
1318         area = this_cpu_ptr(&zs_map_area);
1319         if (off + class->size <= PAGE_SIZE)
1320                 kunmap_atomic(area->vm_addr);
1321         else {
1322                 struct page *pages[2];
1323
1324                 pages[0] = page;
1325                 pages[1] = get_next_page(page);
1326                 BUG_ON(!pages[1]);
1327
1328                 __zs_unmap_object(area, pages, off, class->size);
1329         }
1330         put_cpu_var(zs_map_area);
1331         unpin_tag(handle);
1332 }
1333 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_unmap_object);
1334
1335 static unsigned long obj_malloc(struct page *first_page,
1336                 struct size_class *class, unsigned long handle)
1337 {
1338         unsigned long obj;
1339         struct link_free *link;
1340
1341         struct page *m_page;
1342         unsigned long m_objidx, m_offset;
1343         void *vaddr;
1344
1345         handle |= OBJ_ALLOCATED_TAG;
1346         obj = (unsigned long)first_page->freelist;
1347         obj_to_location(obj, &m_page, &m_objidx);
1348         m_offset = obj_idx_to_offset(m_page, m_objidx, class->size);
1349
1350         vaddr = kmap_atomic(m_page);
1351         link = (struct link_free *)vaddr + m_offset / sizeof(*link);
1352         first_page->freelist = link->next;
1353         if (!class->huge)
1354                 /* record handle in the header of allocated chunk */
1355                 link->handle = handle;
1356         else
1357                 /* record handle in first_page->private */
1358                 set_page_private(first_page, handle);
1359         kunmap_atomic(vaddr);
1360         first_page->inuse++;
1361         zs_stat_inc(class, OBJ_USED, 1);
1362
1363         return obj;
1364 }
1365
1366
1367 /**
1368  * zs_malloc - Allocate block of given size from pool.
1369  * @pool: pool to allocate from
1370  * @size: size of block to allocate
1371  *
1372  * On success, handle to the allocated object is returned,
1373  * otherwise 0.
1374  * Allocation requests with size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE will fail.
1375  */
1376 unsigned long zs_malloc(struct zs_pool *pool, size_t size)
1377 {
1378         unsigned long handle, obj;
1379         struct size_class *class;
1380         struct page *first_page;
1381
1382         if (unlikely(!size || size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE))
1383                 return 0;
1384
1385         handle = alloc_handle(pool);
1386         if (!handle)
1387                 return 0;
1388
1389         /* extra space in chunk to keep the handle */
1390         size += ZS_HANDLE_SIZE;
1391         class = pool->size_class[get_size_class_index(size)];
1392
1393         spin_lock(&class->lock);
1394         first_page = find_get_zspage(class);
1395
1396         if (!first_page) {
1397                 spin_unlock(&class->lock);
1398                 first_page = alloc_zspage(class, pool->flags);
1399                 if (unlikely(!first_page)) {
1400                         free_handle(pool, handle);
1401                         return 0;
1402                 }
1403
1404                 set_zspage_mapping(first_page, class->index, ZS_EMPTY);
1405                 atomic_long_add(class->pages_per_zspage,
1406                                         &pool->pages_allocated);
1407
1408                 spin_lock(&class->lock);
1409                 zs_stat_inc(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1410                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1411         }
1412
1413         obj = obj_malloc(first_page, class, handle);
1414         /* Now move the zspage to another fullness group, if required */
1415         fix_fullness_group(class, first_page);
1416         record_obj(handle, obj);
1417         spin_unlock(&class->lock);
1418
1419         return handle;
1420 }
1421 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_malloc);
1422
1423 static void obj_free(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1424                         unsigned long obj)
1425 {
1426         struct link_free *link;
1427         struct page *first_page, *f_page;
1428         unsigned long f_objidx, f_offset;
1429         void *vaddr;
1430         int class_idx;
1431         enum fullness_group fullness;
1432
1433         BUG_ON(!obj);
1434
1435         obj &= ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1436         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1437         first_page = get_first_page(f_page);
1438
1439         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1440         f_offset = obj_idx_to_offset(f_page, f_objidx, class->size);
1441
1442         vaddr = kmap_atomic(f_page);
1443
1444         /* Insert this object in containing zspage's freelist */
1445         link = (struct link_free *)(vaddr + f_offset);
1446         link->next = first_page->freelist;
1447         if (class->huge)
1448                 set_page_private(first_page, 0);
1449         kunmap_atomic(vaddr);
1450         first_page->freelist = (void *)obj;
1451         first_page->inuse--;
1452         zs_stat_dec(class, OBJ_USED, 1);
1453 }
1454
1455 void zs_free(struct zs_pool *pool, unsigned long handle)
1456 {
1457         struct page *first_page, *f_page;
1458         unsigned long obj, f_objidx;
1459         int class_idx;
1460         struct size_class *class;
1461         enum fullness_group fullness;
1462
1463         if (unlikely(!handle))
1464                 return;
1465
1466         pin_tag(handle);
1467         obj = handle_to_obj(handle);
1468         obj_to_location(obj, &f_page, &f_objidx);
1469         first_page = get_first_page(f_page);
1470
1471         get_zspage_mapping(first_page, &class_idx, &fullness);
1472         class = pool->size_class[class_idx];
1473
1474         spin_lock(&class->lock);
1475         obj_free(pool, class, obj);
1476         fullness = fix_fullness_group(class, first_page);
1477         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1478                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1479                                 class->size, class->pages_per_zspage));
1480                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1481                                 &pool->pages_allocated);
1482                 free_zspage(first_page);
1483         }
1484         spin_unlock(&class->lock);
1485         unpin_tag(handle);
1486
1487         free_handle(pool, handle);
1488 }
1489 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_free);
1490
1491 static void zs_object_copy(unsigned long dst, unsigned long src,
1492                                 struct size_class *class)
1493 {
1494         struct page *s_page, *d_page;
1495         unsigned long s_objidx, d_objidx;
1496         unsigned long s_off, d_off;
1497         void *s_addr, *d_addr;
1498         int s_size, d_size, size;
1499         int written = 0;
1500
1501         s_size = d_size = class->size;
1502
1503         obj_to_location(src, &s_page, &s_objidx);
1504         obj_to_location(dst, &d_page, &d_objidx);
1505
1506         s_off = obj_idx_to_offset(s_page, s_objidx, class->size);
1507         d_off = obj_idx_to_offset(d_page, d_objidx, class->size);
1508
1509         if (s_off + class->size > PAGE_SIZE)
1510                 s_size = PAGE_SIZE - s_off;
1511
1512         if (d_off + class->size > PAGE_SIZE)
1513                 d_size = PAGE_SIZE - d_off;
1514
1515         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1516         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1517
1518         while (1) {
1519                 size = min(s_size, d_size);
1520                 memcpy(d_addr + d_off, s_addr + s_off, size);
1521                 written += size;
1522
1523                 if (written == class->size)
1524                         break;
1525
1526                 s_off += size;
1527                 s_size -= size;
1528                 d_off += size;
1529                 d_size -= size;
1530
1531                 if (s_off >= PAGE_SIZE) {
1532                         kunmap_atomic(d_addr);
1533                         kunmap_atomic(s_addr);
1534                         s_page = get_next_page(s_page);
1535                         BUG_ON(!s_page);
1536                         s_addr = kmap_atomic(s_page);
1537                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1538                         s_size = class->size - written;
1539                         s_off = 0;
1540                 }
1541
1542                 if (d_off >= PAGE_SIZE) {
1543                         kunmap_atomic(d_addr);
1544                         d_page = get_next_page(d_page);
1545                         BUG_ON(!d_page);
1546                         d_addr = kmap_atomic(d_page);
1547                         d_size = class->size - written;
1548                         d_off = 0;
1549                 }
1550         }
1551
1552         kunmap_atomic(d_addr);
1553         kunmap_atomic(s_addr);
1554 }
1555
1556 /*
1557  * Find alloced object in zspage from index object and
1558  * return handle.
1559  */
1560 static unsigned long find_alloced_obj(struct page *page, int index,
1561                                         struct size_class *class)
1562 {
1563         unsigned long head;
1564         int offset = 0;
1565         unsigned long handle = 0;
1566         void *addr = kmap_atomic(page);
1567
1568         if (!is_first_page(page))
1569                 offset = page->index;
1570         offset += class->size * index;
1571
1572         while (offset < PAGE_SIZE) {
1573                 head = obj_to_head(class, page, addr + offset);
1574                 if (head & OBJ_ALLOCATED_TAG) {
1575                         handle = head & ~OBJ_ALLOCATED_TAG;
1576                         if (trypin_tag(handle))
1577                                 break;
1578                         handle = 0;
1579                 }
1580
1581                 offset += class->size;
1582                 index++;
1583         }
1584
1585         kunmap_atomic(addr);
1586         return handle;
1587 }
1588
1589 struct zs_compact_control {
1590         /* Source page for migration which could be a subpage of zspage. */
1591         struct page *s_page;
1592         /* Destination page for migration which should be a first page
1593          * of zspage. */
1594         struct page *d_page;
1595          /* Starting object index within @s_page which used for live object
1596           * in the subpage. */
1597         int index;
1598 };
1599
1600 static int migrate_zspage(struct zs_pool *pool, struct size_class *class,
1601                                 struct zs_compact_control *cc)
1602 {
1603         unsigned long used_obj, free_obj;
1604         unsigned long handle;
1605         struct page *s_page = cc->s_page;
1606         struct page *d_page = cc->d_page;
1607         unsigned long index = cc->index;
1608         int ret = 0;
1609
1610         while (1) {
1611                 handle = find_alloced_obj(s_page, index, class);
1612                 if (!handle) {
1613                         s_page = get_next_page(s_page);
1614                         if (!s_page)
1615                                 break;
1616                         index = 0;
1617                         continue;
1618                 }
1619
1620                 /* Stop if there is no more space */
1621                 if (zspage_full(d_page)) {
1622                         unpin_tag(handle);
1623                         ret = -ENOMEM;
1624                         break;
1625                 }
1626
1627                 used_obj = handle_to_obj(handle);
1628                 free_obj = obj_malloc(d_page, class, handle);
1629                 zs_object_copy(free_obj, used_obj, class);
1630                 index++;
1631                 record_obj(handle, free_obj);
1632                 unpin_tag(handle);
1633                 obj_free(pool, class, used_obj);
1634         }
1635
1636         /* Remember last position in this iteration */
1637         cc->s_page = s_page;
1638         cc->index = index;
1639
1640         return ret;
1641 }
1642
1643 static struct page *isolate_target_page(struct size_class *class)
1644 {
1645         int i;
1646         struct page *page;
1647
1648         for (i = 0; i < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; i++) {
1649                 page = class->fullness_list[i];
1650                 if (page) {
1651                         remove_zspage(page, class, i);
1652                         break;
1653                 }
1654         }
1655
1656         return page;
1657 }
1658
1659 /*
1660  * putback_zspage - add @first_page into right class's fullness list
1661  * @pool: target pool
1662  * @class: destination class
1663  * @first_page: target page
1664  *
1665  * Return @fist_page's fullness_group
1666  */
1667 static enum fullness_group putback_zspage(struct zs_pool *pool,
1668                         struct size_class *class,
1669                         struct page *first_page)
1670 {
1671         enum fullness_group fullness;
1672
1673         BUG_ON(!is_first_page(first_page));
1674
1675         fullness = get_fullness_group(first_page);
1676         insert_zspage(first_page, class, fullness);
1677         set_zspage_mapping(first_page, class->index, fullness);
1678
1679         if (fullness == ZS_EMPTY) {
1680                 zs_stat_dec(class, OBJ_ALLOCATED, get_maxobj_per_zspage(
1681                         class->size, class->pages_per_zspage));
1682                 atomic_long_sub(class->pages_per_zspage,
1683                                 &pool->pages_allocated);
1684
1685                 free_zspage(first_page);
1686         }
1687
1688         return fullness;
1689 }
1690
1691 static struct page *isolate_source_page(struct size_class *class)
1692 {
1693         int i;
1694         struct page *page = NULL;
1695
1696         for (i = ZS_ALMOST_EMPTY; i >= ZS_ALMOST_FULL; i--) {
1697                 page = class->fullness_list[i];
1698                 if (!page)
1699                         continue;
1700
1701                 remove_zspage(page, class, i);
1702                 break;
1703         }
1704
1705         return page;
1706 }
1707
1708 /*
1709  *
1710  * Based on the number of unused allocated objects calculate
1711  * and return the number of pages that we can free.
1712  */
1713 static unsigned long zs_can_compact(struct size_class *class)
1714 {
1715         unsigned long obj_wasted;
1716
1717         obj_wasted = zs_stat_get(class, OBJ_ALLOCATED) -
1718                 zs_stat_get(class, OBJ_USED);
1719
1720         obj_wasted /= get_maxobj_per_zspage(class->size,
1721                         class->pages_per_zspage);
1722
1723         return obj_wasted * class->pages_per_zspage;
1724 }
1725
1726 static void __zs_compact(struct zs_pool *pool, struct size_class *class)
1727 {
1728         struct zs_compact_control cc;
1729         struct page *src_page;
1730         struct page *dst_page = NULL;
1731
1732         spin_lock(&class->lock);
1733         while ((src_page = isolate_source_page(class))) {
1734
1735                 BUG_ON(!is_first_page(src_page));
1736
1737                 if (!zs_can_compact(class))
1738                         break;
1739
1740                 cc.index = 0;
1741                 cc.s_page = src_page;
1742
1743                 while ((dst_page = isolate_target_page(class))) {
1744                         cc.d_page = dst_page;
1745                         /*
1746                          * If there is no more space in dst_page, resched
1747                          * and see if anyone had allocated another zspage.
1748                          */
1749                         if (!migrate_zspage(pool, class, &cc))
1750                                 break;
1751
1752                         putback_zspage(pool, class, dst_page);
1753                 }
1754
1755                 /* Stop if we couldn't find slot */
1756                 if (dst_page == NULL)
1757                         break;
1758
1759                 putback_zspage(pool, class, dst_page);
1760                 if (putback_zspage(pool, class, src_page) == ZS_EMPTY)
1761                         pool->stats.pages_compacted += class->pages_per_zspage;
1762                 spin_unlock(&class->lock);
1763                 cond_resched();
1764                 spin_lock(&class->lock);
1765         }
1766
1767         if (src_page)
1768                 putback_zspage(pool, class, src_page);
1769
1770         spin_unlock(&class->lock);
1771 }
1772
1773 unsigned long zs_compact(struct zs_pool *pool)
1774 {
1775         int i;
1776         struct size_class *class;
1777
1778         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1779                 class = pool->size_class[i];
1780                 if (!class)
1781                         continue;
1782                 if (class->index != i)
1783                         continue;
1784                 __zs_compact(pool, class);
1785         }
1786
1787         return pool->stats.pages_compacted;
1788 }
1789 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_compact);
1790
1791 void zs_pool_stats(struct zs_pool *pool, struct zs_pool_stats *stats)
1792 {
1793         memcpy(stats, &pool->stats, sizeof(struct zs_pool_stats));
1794 }
1795 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_pool_stats);
1796
1797 static unsigned long zs_shrinker_scan(struct shrinker *shrinker,
1798                 struct shrink_control *sc)
1799 {
1800         unsigned long pages_freed;
1801         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1802                         shrinker);
1803
1804         pages_freed = pool->stats.pages_compacted;
1805         /*
1806          * Compact classes and calculate compaction delta.
1807          * Can run concurrently with a manually triggered
1808          * (by user) compaction.
1809          */
1810         pages_freed = zs_compact(pool) - pages_freed;
1811
1812         return pages_freed ? pages_freed : SHRINK_STOP;
1813 }
1814
1815 static unsigned long zs_shrinker_count(struct shrinker *shrinker,
1816                 struct shrink_control *sc)
1817 {
1818         int i;
1819         struct size_class *class;
1820         unsigned long pages_to_free = 0;
1821         struct zs_pool *pool = container_of(shrinker, struct zs_pool,
1822                         shrinker);
1823
1824         if (!pool->shrinker_enabled)
1825                 return 0;
1826
1827         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1828                 class = pool->size_class[i];
1829                 if (!class)
1830                         continue;
1831                 if (class->index != i)
1832                         continue;
1833
1834                 pages_to_free += zs_can_compact(class);
1835         }
1836
1837         return pages_to_free;
1838 }
1839
1840 static void zs_unregister_shrinker(struct zs_pool *pool)
1841 {
1842         if (pool->shrinker_enabled) {
1843                 unregister_shrinker(&pool->shrinker);
1844                 pool->shrinker_enabled = false;
1845         }
1846 }
1847
1848 static int zs_register_shrinker(struct zs_pool *pool)
1849 {
1850         pool->shrinker.scan_objects = zs_shrinker_scan;
1851         pool->shrinker.count_objects = zs_shrinker_count;
1852         pool->shrinker.batch = 0;
1853         pool->shrinker.seeks = DEFAULT_SEEKS;
1854
1855         return register_shrinker(&pool->shrinker);
1856 }
1857
1858 /**
1859  * zs_create_pool - Creates an allocation pool to work from.
1860  * @flags: allocation flags used to allocate pool metadata
1861  *
1862  * This function must be called before anything when using
1863  * the zsmalloc allocator.
1864  *
1865  * On success, a pointer to the newly created pool is returned,
1866  * otherwise NULL.
1867  */
1868 struct zs_pool *zs_create_pool(char *name, gfp_t flags)
1869 {
1870         int i;
1871         struct zs_pool *pool;
1872         struct size_class *prev_class = NULL;
1873
1874         pool = kzalloc(sizeof(*pool), GFP_KERNEL);
1875         if (!pool)
1876                 return NULL;
1877
1878         pool->size_class = kcalloc(zs_size_classes, sizeof(struct size_class *),
1879                         GFP_KERNEL);
1880         if (!pool->size_class) {
1881                 kfree(pool);
1882                 return NULL;
1883         }
1884
1885         pool->name = kstrdup(name, GFP_KERNEL);
1886         if (!pool->name)
1887                 goto err;
1888
1889         if (create_handle_cache(pool))
1890                 goto err;
1891
1892         /*
1893          * Iterate reversly, because, size of size_class that we want to use
1894          * for merging should be larger or equal to current size.
1895          */
1896         for (i = zs_size_classes - 1; i >= 0; i--) {
1897                 int size;
1898                 int pages_per_zspage;
1899                 struct size_class *class;
1900
1901                 size = ZS_MIN_ALLOC_SIZE + i * ZS_SIZE_CLASS_DELTA;
1902                 if (size > ZS_MAX_ALLOC_SIZE)
1903                         size = ZS_MAX_ALLOC_SIZE;
1904                 pages_per_zspage = get_pages_per_zspage(size);
1905
1906                 /*
1907                  * size_class is used for normal zsmalloc operation such
1908                  * as alloc/free for that size. Although it is natural that we
1909                  * have one size_class for each size, there is a chance that we
1910                  * can get more memory utilization if we use one size_class for
1911                  * many different sizes whose size_class have same
1912                  * characteristics. So, we makes size_class point to
1913                  * previous size_class if possible.
1914                  */
1915                 if (prev_class) {
1916                         if (can_merge(prev_class, size, pages_per_zspage)) {
1917                                 pool->size_class[i] = prev_class;
1918                                 continue;
1919                         }
1920                 }
1921
1922                 class = kzalloc(sizeof(struct size_class), GFP_KERNEL);
1923                 if (!class)
1924                         goto err;
1925
1926                 class->size = size;
1927                 class->index = i;
1928                 class->pages_per_zspage = pages_per_zspage;
1929                 if (pages_per_zspage == 1 &&
1930                         get_maxobj_per_zspage(size, pages_per_zspage) == 1)
1931                         class->huge = true;
1932                 spin_lock_init(&class->lock);
1933                 pool->size_class[i] = class;
1934
1935                 prev_class = class;
1936         }
1937
1938         pool->flags = flags;
1939
1940         if (zs_pool_stat_create(name, pool))
1941                 goto err;
1942
1943         /*
1944          * Not critical, we still can use the pool
1945          * and user can trigger compaction manually.
1946          */
1947         if (zs_register_shrinker(pool) == 0)
1948                 pool->shrinker_enabled = true;
1949         return pool;
1950
1951 err:
1952         zs_destroy_pool(pool);
1953         return NULL;
1954 }
1955 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_create_pool);
1956
1957 void zs_destroy_pool(struct zs_pool *pool)
1958 {
1959         int i;
1960
1961         zs_unregister_shrinker(pool);
1962         zs_pool_stat_destroy(pool);
1963
1964         for (i = 0; i < zs_size_classes; i++) {
1965                 int fg;
1966                 struct size_class *class = pool->size_class[i];
1967
1968                 if (!class)
1969                         continue;
1970
1971                 if (class->index != i)
1972                         continue;
1973
1974                 for (fg = 0; fg < _ZS_NR_FULLNESS_GROUPS; fg++) {
1975                         if (class->fullness_list[fg]) {
1976                                 pr_info("Freeing non-empty class with size %db, fullness group %d\n",
1977                                         class->size, fg);
1978                         }
1979                 }
1980                 kfree(class);
1981         }
1982
1983         destroy_handle_cache(pool);
1984         kfree(pool->size_class);
1985         kfree(pool->name);
1986         kfree(pool);
1987 }
1988 EXPORT_SYMBOL_GPL(zs_destroy_pool);
1989
1990 static int __init zs_init(void)
1991 {
1992         int ret = zs_register_cpu_notifier();
1993
1994         if (ret)
1995                 goto notifier_fail;
1996
1997         init_zs_size_classes();
1998
1999 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2000         zpool_register_driver(&zs_zpool_driver);
2001 #endif
2002
2003         ret = zs_stat_init();
2004         if (ret) {
2005                 pr_err("zs stat initialization failed\n");
2006                 goto stat_fail;
2007         }
2008         return 0;
2009
2010 stat_fail:
2011 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2012         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2013 #endif
2014 notifier_fail:
2015         zs_unregister_cpu_notifier();
2016
2017         return ret;
2018 }
2019
2020 static void __exit zs_exit(void)
2021 {
2022 #ifdef CONFIG_ZPOOL
2023         zpool_unregister_driver(&zs_zpool_driver);
2024 #endif
2025         zs_unregister_cpu_notifier();
2026
2027         zs_stat_exit();
2028 }
2029
2030 module_init(zs_init);
2031 module_exit(zs_exit);
2032
2033 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
2034 MODULE_AUTHOR("Nitin Gupta <ngupta@vflare.org>");