mm/cma.c

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