mm/page_ext.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 #include <linux/mm.h>
   3 #include <linux/mmzone.h>
   4 #include <linux/memblock.h>
   5 #include <linux/page_ext.h>
   6 #include <linux/memory.h>
   7 #include <linux/vmalloc.h>
   8 #include <linux/kmemleak.h>
   9 #include <linux/page_owner.h>
  10 #include <linux/page_idle.h>
  11 #include <linux/page_table_check.h>
  12 #include <linux/rcupdate.h>
  13
  14 /*
  15  * struct page extension
  16  *
  17  * This is the feature to manage memory for extended data per page.
  18  *
  19  * Until now, we must modify struct page itself to store extra data per page.
  20  * This requires rebuilding the kernel and it is really time consuming process.
  21  * And, sometimes, rebuild is impossible due to third party module dependency.
  22  * At last, enlarging struct page could cause un-wanted system behaviour change.
  23  *
  24  * This feature is intended to overcome above mentioned problems. This feature
  25  * allocates memory for extended data per page in certain place rather than
  26  * the struct page itself. This memory can be accessed by the accessor
  27  * functions provided by this code. During the boot process, it checks whether
  28  * allocation of huge chunk of memory is needed or not. If not, it avoids
  29  * allocating memory at all. With this advantage, we can include this feature
  30  * into the kernel in default and can avoid rebuild and solve related problems.
  31  *
  32  * To help these things to work well, there are two callbacks for clients. One
  33  * is the need callback which is mandatory if user wants to avoid useless
  34  * memory allocation at boot-time. The other is optional, init callback, which
  35  * is used to do proper initialization after memory is allocated.
  36  *
  37  * The need callback is used to decide whether extended memory allocation is
  38  * needed or not. Sometimes users want to deactivate some features in this
  39  * boot and extra memory would be unnecessary. In this case, to avoid
  40  * allocating huge chunk of memory, each clients represent their need of
  41  * extra memory through the need callback. If one of the need callbacks
  42  * returns true, it means that someone needs extra memory so that
  43  * page extension core should allocates memory for page extension. If
  44  * none of need callbacks return true, memory isn't needed at all in this boot
  45  * and page extension core can skip to allocate memory. As result,
  46  * none of memory is wasted.
  47  *
  48  * When need callback returns true, page_ext checks if there is a request for
  49  * extra memory through size in struct page_ext_operations. If it is non-zero,
  50  * extra space is allocated for each page_ext entry and offset is returned to
  51  * user through offset in struct page_ext_operations.
  52  *
  53  * The init callback is used to do proper initialization after page extension
  54  * is completely initialized. In sparse memory system, extra memory is
  55  * allocated some time later than memmap is allocated. In other words, lifetime
  56  * of memory for page extension isn't same with memmap for struct page.
  57  * Therefore, clients can't store extra data until page extension is
  58  * initialized, even if pages are allocated and used freely. This could
  59  * cause inadequate state of extra data per page, so, to prevent it, client
  60  * can utilize this callback to initialize the state of it correctly.
  61  */
  62
  63 #ifdef CONFIG_SPARSEMEM
  64 #define PAGE_EXT_INVALID       (0x1)
  65 #endif
  66
  67 #if defined(CONFIG_PAGE_IDLE_FLAG) && !defined(CONFIG_64BIT)
  68 static bool need_page_idle(void)
  69 {
  70         return true;
  71 }
  72 static struct page_ext_operations page_idle_ops __initdata = {
  73         .need = need_page_idle,
  74 };
  75 #endif
  76
  77 static struct page_ext_operations *page_ext_ops[] __initdata = {
  78 #ifdef CONFIG_PAGE_OWNER
  79         &page_owner_ops,
  80 #endif
  81 #if defined(CONFIG_PAGE_IDLE_FLAG) && !defined(CONFIG_64BIT)
  82         &page_idle_ops,
  83 #endif
  84 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_CHECK
  85         &page_table_check_ops,
  86 #endif
  87 };
  88
  89 unsigned long page_ext_size = sizeof(struct page_ext);
  90
  91 static unsigned long total_usage;
  92 static struct page_ext *lookup_page_ext(const struct page *page);
  93
  94 bool early_page_ext;
  95 static int __init setup_early_page_ext(char *str)
  96 {
  97         early_page_ext = true;
  98         return 0;
  99 }
 100 early_param("early_page_ext", setup_early_page_ext);
 101
 102 static bool __init invoke_need_callbacks(void)
 103 {
 104         int i;
 105         int entries = ARRAY_SIZE(page_ext_ops);
 106         bool need = false;
 107
 108         for (i = 0; i < entries; i++) {
 109                 if (page_ext_ops[i]->need && page_ext_ops[i]->need()) {
 110                         page_ext_ops[i]->offset = page_ext_size;
 111                         page_ext_size += page_ext_ops[i]->size;
 112                         need = true;
 113                 }
 114         }
 115
 116         return need;
 117 }
 118
 119 static void __init invoke_init_callbacks(void)
 120 {
 121         int i;
 122         int entries = ARRAY_SIZE(page_ext_ops);
 123
 124         for (i = 0; i < entries; i++) {
 125                 if (page_ext_ops[i]->init)
 126                         page_ext_ops[i]->init();
 127         }
 128 }
 129
 130 #ifndef CONFIG_SPARSEMEM
 131 void __init page_ext_init_flatmem_late(void)
 132 {
 133         invoke_init_callbacks();
 134 }
 135 #endif
 136
 137 static inline struct page_ext *get_entry(void *base, unsigned long index)
 138 {
 139         return base + page_ext_size * index;
 140 }
 141
 142 /**
 143  * page_ext_get() - Get the extended information for a page.
 144  * @page: The page we're interested in.
 145  *
 146  * Ensures that the page_ext will remain valid until page_ext_put()
 147  * is called.
 148  *
 149  * Return: NULL if no page_ext exists for this page.
 150  * Context: Any context.  Caller may not sleep until they have called
 151  * page_ext_put().
 152  */
 153 struct page_ext *page_ext_get(struct page *page)
 154 {
 155         struct page_ext *page_ext;
 156
 157         rcu_read_lock();
 158         page_ext = lookup_page_ext(page);
 159         if (!page_ext) {
 160                 rcu_read_unlock();
 161                 return NULL;
 162         }
 163
 164         return page_ext;
 165 }
 166
 167 /**
 168  * page_ext_put() - Working with page extended information is done.
 169  * @page_ext: Page extended information received from page_ext_get().
 170  *
 171  * The page extended information of the page may not be valid after this
 172  * function is called.
 173  *
 174  * Return: None.
 175  * Context: Any context with corresponding page_ext_get() is called.
 176  */
 177 void page_ext_put(struct page_ext *page_ext)
 178 {
 179         if (unlikely(!page_ext))
 180                 return;
 181
 182         rcu_read_unlock();
 183 }
 184 #ifndef CONFIG_SPARSEMEM
 185
 186
 187 void __meminit pgdat_page_ext_init(struct pglist_data *pgdat)
 188 {
 189         pgdat->node_page_ext = NULL;
 190 }
 191
 192 static struct page_ext *lookup_page_ext(const struct page *page)
 193 {
 194         unsigned long pfn = page_to_pfn(page);
 195         unsigned long index;
 196         struct page_ext *base;
 197
 198         WARN_ON_ONCE(!rcu_read_lock_held());
 199         base = NODE_DATA(page_to_nid(page))->node_page_ext;
 200         /*
 201          * The sanity checks the page allocator does upon freeing a
 202          * page can reach here before the page_ext arrays are
 203          * allocated when feeding a range of pages to the allocator
 204          * for the first time during bootup or memory hotplug.
 205          */
 206         if (unlikely(!base))
 207                 return NULL;
 208         index = pfn - round_down(node_start_pfn(page_to_nid(page)),
 209                                         MAX_ORDER_NR_PAGES);
 210         return get_entry(base, index);
 211 }
 212
 213 static int __init alloc_node_page_ext(int nid)
 214 {
 215         struct page_ext *base;
 216         unsigned long table_size;
 217         unsigned long nr_pages;
 218
 219         nr_pages = NODE_DATA(nid)->node_spanned_pages;
 220         if (!nr_pages)
 221                 return 0;
 222
 223         /*
 224          * Need extra space if node range is not aligned with
 225          * MAX_ORDER_NR_PAGES. When page allocator's buddy algorithm
 226          * checks buddy's status, range could be out of exact node range.
 227          */
 228         if (!IS_ALIGNED(node_start_pfn(nid), MAX_ORDER_NR_PAGES) ||
 229                 !IS_ALIGNED(node_end_pfn(nid), MAX_ORDER_NR_PAGES))
 230                 nr_pages += MAX_ORDER_NR_PAGES;
 231
 232         table_size = page_ext_size * nr_pages;
 233
 234         base = memblock_alloc_try_nid(
 235                         table_size, PAGE_SIZE, __pa(MAX_DMA_ADDRESS),
 236                         MEMBLOCK_ALLOC_ACCESSIBLE, nid);
 237         if (!base)
 238                 return -ENOMEM;
 239         NODE_DATA(nid)->node_page_ext = base;
 240         total_usage += table_size;
 241         return 0;
 242 }
 243
 244 void __init page_ext_init_flatmem(void)
 245 {
 246
 247         int nid, fail;
 248
 249         if (!invoke_need_callbacks())
 250                 return;
 251
 252         for_each_online_node(nid)  {
 253                 fail = alloc_node_page_ext(nid);
 254                 if (fail)
 255                         goto fail;
 256         }
 257         pr_info("allocated %ld bytes of page_ext\n", total_usage);
 258         return;
 259
 260 fail:
 261         pr_crit("allocation of page_ext failed.\n");
 262         panic("Out of memory");
 263 }
 264
 265 #else /* CONFIG_SPARSEMEM */
 266 static bool page_ext_invalid(struct page_ext *page_ext)
 267 {
 268         return !page_ext || (((unsigned long)page_ext & PAGE_EXT_INVALID) == PAGE_EXT_INVALID);
 269 }
 270
 271 static struct page_ext *lookup_page_ext(const struct page *page)
 272 {
 273         unsigned long pfn = page_to_pfn(page);
 274         struct mem_section *section = __pfn_to_section(pfn);
 275         struct page_ext *page_ext = READ_ONCE(section->page_ext);
 276
 277         WARN_ON_ONCE(!rcu_read_lock_held());
 278         /*
 279          * The sanity checks the page allocator does upon freeing a
 280          * page can reach here before the page_ext arrays are
 281          * allocated when feeding a range of pages to the allocator
 282          * for the first time during bootup or memory hotplug.
 283          */
 284         if (page_ext_invalid(page_ext))
 285                 return NULL;
 286         return get_entry(page_ext, pfn);
 287 }
 288
 289 static void *__meminit alloc_page_ext(size_t size, int nid)
 290 {
 291         gfp_t flags = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO | __GFP_NOWARN;
 292         void *addr = NULL;
 293
 294         addr = alloc_pages_exact_nid(nid, size, flags);
 295         if (addr) {
 296                 kmemleak_alloc(addr, size, 1, flags);
 297                 return addr;
 298         }
 299
 300         addr = vzalloc_node(size, nid);
 301
 302         return addr;
 303 }
 304
 305 static int __meminit init_section_page_ext(unsigned long pfn, int nid)
 306 {
 307         struct mem_section *section;
 308         struct page_ext *base;
 309         unsigned long table_size;
 310
 311         section = __pfn_to_section(pfn);
 312
 313         if (section->page_ext)
 314                 return 0;
 315
 316         table_size = page_ext_size * PAGES_PER_SECTION;
 317         base = alloc_page_ext(table_size, nid);
 318
 319         /*
 320          * The value stored in section->page_ext is (base - pfn)
 321          * and it does not point to the memory block allocated above,
 322          * causing kmemleak false positives.
 323          */
 324         kmemleak_not_leak(base);
 325
 326         if (!base) {
 327                 pr_err("page ext allocation failure\n");
 328                 return -ENOMEM;
 329         }
 330
 331         /*
 332          * The passed "pfn" may not be aligned to SECTION.  For the calculation
 333          * we need to apply a mask.
 334          */
 335         pfn &= PAGE_SECTION_MASK;
 336         section->page_ext = (void *)base - page_ext_size * pfn;
 337         total_usage += table_size;
 338         return 0;
 339 }
 340
 341 static void free_page_ext(void *addr)
 342 {
 343         if (is_vmalloc_addr(addr)) {
 344                 vfree(addr);
 345         } else {
 346                 struct page *page = virt_to_page(addr);
 347                 size_t table_size;
 348
 349                 table_size = page_ext_size * PAGES_PER_SECTION;
 350
 351                 BUG_ON(PageReserved(page));
 352                 kmemleak_free(addr);
 353                 free_pages_exact(addr, table_size);
 354         }
 355 }
 356
 357 static void __free_page_ext(unsigned long pfn)
 358 {
 359         struct mem_section *ms;
 360         struct page_ext *base;
 361
 362         ms = __pfn_to_section(pfn);
 363         if (!ms || !ms->page_ext)
 364                 return;
 365
 366         base = READ_ONCE(ms->page_ext);
 367         /*
 368          * page_ext here can be valid while doing the roll back
 369          * operation in online_page_ext().
 370          */
 371         if (page_ext_invalid(base))
 372                 base = (void *)base - PAGE_EXT_INVALID;
 373         WRITE_ONCE(ms->page_ext, NULL);
 374
 375         base = get_entry(base, pfn);
 376         free_page_ext(base);
 377 }
 378
 379 static void __invalidate_page_ext(unsigned long pfn)
 380 {
 381         struct mem_section *ms;
 382         void *val;
 383
 384         ms = __pfn_to_section(pfn);
 385         if (!ms || !ms->page_ext)
 386                 return;
 387         val = (void *)ms->page_ext + PAGE_EXT_INVALID;
 388         WRITE_ONCE(ms->page_ext, val);
 389 }
 390
 391 static int __meminit online_page_ext(unsigned long start_pfn,
 392                                 unsigned long nr_pages,
 393                                 int nid)
 394 {
 395         unsigned long start, end, pfn;
 396         int fail = 0;
 397
 398         start = SECTION_ALIGN_DOWN(start_pfn);
 399         end = SECTION_ALIGN_UP(start_pfn + nr_pages);
 400
 401         if (nid == NUMA_NO_NODE) {
 402                 /*
 403                  * In this case, "nid" already exists and contains valid memory.
 404                  * "start_pfn" passed to us is a pfn which is an arg for
 405                  * online__pages(), and start_pfn should exist.
 406                  */
 407                 nid = pfn_to_nid(start_pfn);
 408                 VM_BUG_ON(!node_online(nid));
 409         }
 410
 411         for (pfn = start; !fail && pfn < end; pfn += PAGES_PER_SECTION)
 412                 fail = init_section_page_ext(pfn, nid);
 413         if (!fail)
 414                 return 0;
 415
 416         /* rollback */
 417         for (pfn = start; pfn < end; pfn += PAGES_PER_SECTION)
 418                 __free_page_ext(pfn);
 419
 420         return -ENOMEM;
 421 }
 422
 423 static int __meminit offline_page_ext(unsigned long start_pfn,
 424                                 unsigned long nr_pages)
 425 {
 426         unsigned long start, end, pfn;
 427
 428         start = SECTION_ALIGN_DOWN(start_pfn);
 429         end = SECTION_ALIGN_UP(start_pfn + nr_pages);
 430
 431         /*
 432          * Freeing of page_ext is done in 3 steps to avoid
 433          * use-after-free of it:
 434          * 1) Traverse all the sections and mark their page_ext
 435          *    as invalid.
 436          * 2) Wait for all the existing users of page_ext who
 437          *    started before invalidation to finish.
 438          * 3) Free the page_ext.
 439          */
 440         for (pfn = start; pfn < end; pfn += PAGES_PER_SECTION)
 441                 __invalidate_page_ext(pfn);
 442
 443         synchronize_rcu();
 444
 445         for (pfn = start; pfn < end; pfn += PAGES_PER_SECTION)
 446                 __free_page_ext(pfn);
 447         return 0;
 448
 449 }
 450
 451 static int __meminit page_ext_callback(struct notifier_block *self,
 452                                unsigned long action, void *arg)
 453 {
 454         struct memory_notify *mn = arg;
 455         int ret = 0;
 456
 457         switch (action) {
 458         case MEM_GOING_ONLINE:
 459                 ret = online_page_ext(mn->start_pfn,
 460                                    mn->nr_pages, mn->status_change_nid);
 461                 break;
 462         case MEM_OFFLINE:
 463                 offline_page_ext(mn->start_pfn,
 464                                 mn->nr_pages);
 465                 break;
 466         case MEM_CANCEL_ONLINE:
 467                 offline_page_ext(mn->start_pfn,
 468                                 mn->nr_pages);
 469                 break;
 470         case MEM_GOING_OFFLINE:
 471                 break;
 472         case MEM_ONLINE:
 473         case MEM_CANCEL_OFFLINE:
 474                 break;
 475         }
 476
 477         return notifier_from_errno(ret);
 478 }
 479
 480 void __init page_ext_init(void)
 481 {
 482         unsigned long pfn;
 483         int nid;
 484
 485         if (!invoke_need_callbacks())
 486                 return;
 487
 488         for_each_node_state(nid, N_MEMORY) {
 489                 unsigned long start_pfn, end_pfn;
 490
 491                 start_pfn = node_start_pfn(nid);
 492                 end_pfn = node_end_pfn(nid);
 493                 /*
 494                  * start_pfn and end_pfn may not be aligned to SECTION and the
 495                  * page->flags of out of node pages are not initialized.  So we
 496                  * scan [start_pfn, the biggest section's pfn < end_pfn) here.
 497                  */
 498                 for (pfn = start_pfn; pfn < end_pfn;
 499                         pfn = ALIGN(pfn + 1, PAGES_PER_SECTION)) {
 500
 501                         if (!pfn_valid(pfn))
 502                                 continue;
 503                         /*
 504                          * Nodes's pfns can be overlapping.
 505                          * We know some arch can have a nodes layout such as
 506                          * -------------pfn-------------->
 507                          * N0 | N1 | N2 | N0 | N1 | N2|....
 508                          */
 509                         if (pfn_to_nid(pfn) != nid)
 510                                 continue;
 511                         if (init_section_page_ext(pfn, nid))
 512                                 goto oom;
 513                         cond_resched();
 514                 }
 515         }
 516         hotplug_memory_notifier(page_ext_callback, 0);
 517         pr_info("allocated %ld bytes of page_ext\n", total_usage);
 518         invoke_init_callbacks();
 519         return;
 520
 521 oom:
 522         panic("Out of memory");
 523 }
 524
 525 void __meminit pgdat_page_ext_init(struct pglist_data *pgdat)
 526 {
 527 }
 528
 529 #endif