mm/vmalloc: hugepage vmalloc mappings
authorNicholas Piggin <npiggin@gmail.com>
Fri, 30 Apr 2021 05:58:49 +0000 (22:58 -0700)
committerLinus Torvalds <torvalds@linux-foundation.org>
Fri, 30 Apr 2021 18:20:40 +0000 (11:20 -0700)
Support huge page vmalloc mappings.  Config option HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
enables support on architectures that define HAVE_ARCH_HUGE_VMAP and
supports PMD sized vmap mappings.

vmalloc will attempt to allocate PMD-sized pages if allocating PMD size or
larger, and fall back to small pages if that was unsuccessful.

Architectures must ensure that any arch specific vmalloc allocations that
require PAGE_SIZE mappings (e.g., module allocations vs strict module rwx)
use the VM_NOHUGE flag to inhibit larger mappings.

This can result in more internal fragmentation and memory overhead for a
given allocation, an option nohugevmalloc is added to disable at boot.

[colin.king@canonical.com: fix read of uninitialized pointer area]
Link: https://lkml.kernel.org/r/20210318155955.18220-1-colin.king@canonical.com
Link: https://lkml.kernel.org/r/20210317062402.533919-14-npiggin@gmail.com
Signed-off-by: Nicholas Piggin <npiggin@gmail.com>
Cc: Borislav Petkov <bp@alien8.de>
Cc: Catalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>
Cc: Christoph Hellwig <hch@lst.de>
Cc: Ding Tianhong <dingtianhong@huawei.com>
Cc: "H. Peter Anvin" <hpa@zytor.com>
Cc: Ingo Molnar <mingo@redhat.com>
Cc: Miaohe Lin <linmiaohe@huawei.com>
Cc: Michael Ellerman <mpe@ellerman.id.au>
Cc: Russell King <linux@armlinux.org.uk>
Cc: Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
Cc: Uladzislau Rezki (Sony) <urezki@gmail.com>
Cc: Will Deacon <will@kernel.org>
Signed-off-by: Andrew Morton <akpm@linux-foundation.org>
Signed-off-by: Linus Torvalds <torvalds@linux-foundation.org>
arch/Kconfig
include/linux/vmalloc.h
mm/page_alloc.c
mm/vmalloc.c

index 5e8f668..bf27159 100644 (file)
@@ -829,6 +829,17 @@ config HAVE_ARCH_TRANSPARENT_HUGEPAGE_PUD
 config HAVE_ARCH_HUGE_VMAP
        bool
 
+#
+#  Archs that select this would be capable of PMD-sized vmaps (i.e.,
+#  arch_vmap_pmd_supported() returns true), and they must make no assumptions
+#  that vmalloc memory is mapped with PAGE_SIZE ptes. The VM_NO_HUGE_VMAP flag
+#  can be used to prohibit arch-specific allocations from using hugepages to
+#  help with this (e.g., modules may require it).
+#
+config HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+       depends on HAVE_ARCH_HUGE_VMAP
+       bool
+
 config ARCH_WANT_HUGE_PMD_SHARE
        bool
 
index ae9eb07..b4c82f2 100644 (file)
@@ -26,6 +26,7 @@ struct notifier_block;                /* in notifier.h */
 #define VM_KASAN               0x00000080      /* has allocated kasan shadow memory */
 #define VM_FLUSH_RESET_PERMS   0x00000100      /* reset direct map and flush TLB on unmap, can't be freed in atomic context */
 #define VM_MAP_PUT_PAGES       0x00000200      /* put pages and free array in vfree */
+#define VM_NO_HUGE_VMAP                0x00000400      /* force PAGE_SIZE pte mapping */
 
 /*
  * VM_KASAN is used slighly differently depending on CONFIG_KASAN_VMALLOC.
@@ -54,6 +55,9 @@ struct vm_struct {
        unsigned long           size;
        unsigned long           flags;
        struct page             **pages;
+#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+       unsigned int            page_order;
+#endif
        unsigned int            nr_pages;
        phys_addr_t             phys_addr;
        const void              *caller;
@@ -188,6 +192,22 @@ void free_vm_area(struct vm_struct *area);
 extern struct vm_struct *remove_vm_area(const void *addr);
 extern struct vm_struct *find_vm_area(const void *addr);
 
+static inline bool is_vm_area_hugepages(const void *addr)
+{
+       /*
+        * This may not 100% tell if the area is mapped with > PAGE_SIZE
+        * page table entries, if for some reason the architecture indicates
+        * larger sizes are available but decides not to use them, nothing
+        * prevents that. This only indicates the size of the physical page
+        * allocated in the vmalloc layer.
+        */
+#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+       return find_vm_area(addr)->page_order > 0;
+#else
+       return false;
+#endif
+}
+
 #ifdef CONFIG_MMU
 int vmap_range(unsigned long addr, unsigned long end,
                        phys_addr_t phys_addr, pgprot_t prot,
@@ -205,6 +225,7 @@ static inline void set_vm_flush_reset_perms(void *addr)
        if (vm)
                vm->flags |= VM_FLUSH_RESET_PERMS;
 }
+
 #else
 static inline int
 map_kernel_range_noflush(unsigned long start, unsigned long size,
index 56a8103..39ff5c6 100644 (file)
@@ -72,6 +72,7 @@
 #include <linux/padata.h>
 #include <linux/khugepaged.h>
 #include <linux/buffer_head.h>
+#include <linux/vmalloc.h>
 
 #include <asm/sections.h>
 #include <asm/tlbflush.h>
@@ -8222,6 +8223,7 @@ void *__init alloc_large_system_hash(const char *tablename,
        void *table = NULL;
        gfp_t gfp_flags;
        bool virt;
+       bool huge;
 
        /* allow the kernel cmdline to have a say */
        if (!numentries) {
@@ -8289,6 +8291,7 @@ void *__init alloc_large_system_hash(const char *tablename,
                } else if (get_order(size) >= MAX_ORDER || hashdist) {
                        table = __vmalloc(size, gfp_flags);
                        virt = true;
+                       huge = is_vm_area_hugepages(table);
                } else {
                        /*
                         * If bucketsize is not a power-of-two, we may free
@@ -8305,7 +8308,7 @@ void *__init alloc_large_system_hash(const char *tablename,
 
        pr_info("%s hash table entries: %ld (order: %d, %lu bytes, %s)\n",
                tablename, 1UL << log2qty, ilog2(size) - PAGE_SHIFT, size,
-               virt ? "vmalloc" : "linear");
+               virt ? (huge ? "vmalloc hugepage" : "vmalloc") : "linear");
 
        if (_hash_shift)
                *_hash_shift = log2qty;
index 41c1dbd..59c815e 100644 (file)
 #include "internal.h"
 #include "pgalloc-track.h"
 
+#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+static bool __ro_after_init vmap_allow_huge = true;
+
+static int __init set_nohugevmalloc(char *str)
+{
+       vmap_allow_huge = false;
+       return 0;
+}
+early_param("nohugevmalloc", set_nohugevmalloc);
+#else /* CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC */
+static const bool vmap_allow_huge = false;
+#endif /* CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC */
+
 bool is_vmalloc_addr(const void *x)
 {
        unsigned long addr = (unsigned long)x;
@@ -483,31 +496,12 @@ static int vmap_pages_p4d_range(pgd_t *pgd, unsigned long addr,
        return 0;
 }
 
-/**
- * map_kernel_range_noflush - map kernel VM area with the specified pages
- * @addr: start of the VM area to map
- * @size: size of the VM area to map
- * @prot: page protection flags to use
- * @pages: pages to map
- *
- * Map PFN_UP(@size) pages at @addr.  The VM area @addr and @size specify should
- * have been allocated using get_vm_area() and its friends.
- *
- * NOTE:
- * This function does NOT do any cache flushing.  The caller is responsible for
- * calling flush_cache_vmap() on to-be-mapped areas before calling this
- * function.
- *
- * RETURNS:
- * 0 on success, -errno on failure.
- */
-int map_kernel_range_noflush(unsigned long addr, unsigned long size,
-                            pgprot_t prot, struct page **pages)
+static int vmap_small_pages_range_noflush(unsigned long addr, unsigned long end,
+               pgprot_t prot, struct page **pages)
 {
        unsigned long start = addr;
-       unsigned long end = addr + size;
-       unsigned long next;
        pgd_t *pgd;
+       unsigned long next;
        int err = 0;
        int nr = 0;
        pgtbl_mod_mask mask = 0;
@@ -529,6 +523,66 @@ int map_kernel_range_noflush(unsigned long addr, unsigned long size,
        return 0;
 }
 
+static int vmap_pages_range_noflush(unsigned long addr, unsigned long end,
+               pgprot_t prot, struct page **pages, unsigned int page_shift)
+{
+       unsigned int i, nr = (end - addr) >> PAGE_SHIFT;
+
+       WARN_ON(page_shift < PAGE_SHIFT);
+
+       if (!IS_ENABLED(CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC) ||
+                       page_shift == PAGE_SHIFT)
+               return vmap_small_pages_range_noflush(addr, end, prot, pages);
+
+       for (i = 0; i < nr; i += 1U << (page_shift - PAGE_SHIFT)) {
+               int err;
+
+               err = vmap_range_noflush(addr, addr + (1UL << page_shift),
+                                       __pa(page_address(pages[i])), prot,
+                                       page_shift);
+               if (err)
+                       return err;
+
+               addr += 1UL << page_shift;
+       }
+
+       return 0;
+}
+
+static int vmap_pages_range(unsigned long addr, unsigned long end,
+               pgprot_t prot, struct page **pages, unsigned int page_shift)
+{
+       int err;
+
+       err = vmap_pages_range_noflush(addr, end, prot, pages, page_shift);
+       flush_cache_vmap(addr, end);
+       return err;
+}
+
+/**
+ * map_kernel_range_noflush - map kernel VM area with the specified pages
+ * @addr: start of the VM area to map
+ * @size: size of the VM area to map
+ * @prot: page protection flags to use
+ * @pages: pages to map
+ *
+ * Map PFN_UP(@size) pages at @addr.  The VM area @addr and @size specify should
+ * have been allocated using get_vm_area() and its friends.
+ *
+ * NOTE:
+ * This function does NOT do any cache flushing.  The caller is responsible for
+ * calling flush_cache_vmap() on to-be-mapped areas before calling this
+ * function.
+ *
+ * RETURNS:
+ * 0 on success, -errno on failure.
+ */
+int map_kernel_range_noflush(unsigned long addr, unsigned long size,
+                            pgprot_t prot, struct page **pages)
+{
+       return vmap_pages_range_noflush(addr, addr + size, prot, pages, PAGE_SHIFT);
+}
+
 int map_kernel_range(unsigned long start, unsigned long size, pgprot_t prot,
                struct page **pages)
 {
@@ -2112,6 +2166,24 @@ EXPORT_SYMBOL(vm_map_ram);
 
 static struct vm_struct *vmlist __initdata;
 
+static inline unsigned int vm_area_page_order(struct vm_struct *vm)
+{
+#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+       return vm->page_order;
+#else
+       return 0;
+#endif
+}
+
+static inline void set_vm_area_page_order(struct vm_struct *vm, unsigned int order)
+{
+#ifdef CONFIG_HAVE_ARCH_HUGE_VMALLOC
+       vm->page_order = order;
+#else
+       BUG_ON(order != 0);
+#endif
+}
+
 /**
  * vm_area_add_early - add vmap area early during boot
  * @vm: vm_struct to add
@@ -2422,6 +2494,7 @@ static inline void set_area_direct_map(const struct vm_struct *area,
 {
        int i;
 
+       /* HUGE_VMALLOC passes small pages to set_direct_map */
        for (i = 0; i < area->nr_pages; i++)
                if (page_address(area->pages[i]))
                        set_direct_map(area->pages[i]);
@@ -2431,6 +2504,7 @@ static inline void set_area_direct_map(const struct vm_struct *area,
 static void vm_remove_mappings(struct vm_struct *area, int deallocate_pages)
 {
        unsigned long start = ULONG_MAX, end = 0;
+       unsigned int page_order = vm_area_page_order(area);
        int flush_reset = area->flags & VM_FLUSH_RESET_PERMS;
        int flush_dmap = 0;
        int i;
@@ -2455,11 +2529,14 @@ static void vm_remove_mappings(struct vm_struct *area, int deallocate_pages)
         * map. Find the start and end range of the direct mappings to make sure
         * the vm_unmap_aliases() flush includes the direct map.
         */
-       for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {
+       for (i = 0; i < area->nr_pages; i += 1U << page_order) {
                unsigned long addr = (unsigned long)page_address(area->pages[i]);
                if (addr) {
+                       unsigned long page_size;
+
+                       page_size = PAGE_SIZE << page_order;
                        start = min(addr, start);
-                       end = max(addr + PAGE_SIZE, end);
+                       end = max(addr + page_size, end);
                        flush_dmap = 1;
                }
        }
@@ -2500,13 +2577,14 @@ static void __vunmap(const void *addr, int deallocate_pages)
        vm_remove_mappings(area, deallocate_pages);
 
        if (deallocate_pages) {
+               unsigned int page_order = vm_area_page_order(area);
                int i;
 
-               for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {
+               for (i = 0; i < area->nr_pages; i += 1U << page_order) {
                        struct page *page = area->pages[i];
 
                        BUG_ON(!page);
-                       __free_pages(page, 0);
+                       __free_pages(page, page_order);
                }
                atomic_long_sub(area->nr_pages, &nr_vmalloc_pages);
 
@@ -2697,15 +2775,19 @@ EXPORT_SYMBOL_GPL(vmap_pfn);
 #endif /* CONFIG_VMAP_PFN */
 
 static void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,
-                                pgprot_t prot, int node)
+                                pgprot_t prot, unsigned int page_shift,
+                                int node)
 {
        const gfp_t nested_gfp = (gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK) | __GFP_ZERO;
-       unsigned int nr_pages = get_vm_area_size(area) >> PAGE_SHIFT;
+       unsigned long addr = (unsigned long)area->addr;
+       unsigned long size = get_vm_area_size(area);
        unsigned long array_size;
-       unsigned int i;
+       unsigned int nr_small_pages = size >> PAGE_SHIFT;
+       unsigned int page_order;
        struct page **pages;
+       unsigned int i;
 
-       array_size = (unsigned long)nr_pages * sizeof(struct page *);
+       array_size = (unsigned long)nr_small_pages * sizeof(struct page *);
        gfp_mask |= __GFP_NOWARN;
        if (!(gfp_mask & (GFP_DMA | GFP_DMA32)))
                gfp_mask |= __GFP_HIGHMEM;
@@ -2724,30 +2806,38 @@ static void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,
        }
 
        area->pages = pages;
-       area->nr_pages = nr_pages;
+       area->nr_pages = nr_small_pages;
+       set_vm_area_page_order(area, page_shift - PAGE_SHIFT);
 
-       for (i = 0; i < area->nr_pages; i++) {
-               struct page *page;
+       page_order = vm_area_page_order(area);
 
-               if (node == NUMA_NO_NODE)
-                       page = alloc_page(gfp_mask);
-               else
-                       page = alloc_pages_node(node, gfp_mask, 0);
+       /*
+        * Careful, we allocate and map page_order pages, but tracking is done
+        * per PAGE_SIZE page so as to keep the vm_struct APIs independent of
+        * the physical/mapped size.
+        */
+       for (i = 0; i < area->nr_pages; i += 1U << page_order) {
+               struct page *page;
+               int p;
 
+               /* Compound pages required for remap_vmalloc_page */
+               page = alloc_pages_node(node, gfp_mask | __GFP_COMP, page_order);
                if (unlikely(!page)) {
                        /* Successfully allocated i pages, free them in __vfree() */
                        area->nr_pages = i;
                        atomic_long_add(area->nr_pages, &nr_vmalloc_pages);
                        goto fail;
                }
-               area->pages[i] = page;
+
+               for (p = 0; p < (1U << page_order); p++)
+                       area->pages[i + p] = page + p;
+
                if (gfpflags_allow_blocking(gfp_mask))
                        cond_resched();
        }
        atomic_long_add(area->nr_pages, &nr_vmalloc_pages);
 
-       if (map_kernel_range((unsigned long)area->addr, get_vm_area_size(area),
-                       prot, pages) < 0)
+       if (vmap_pages_range(addr, addr + size, prot, pages, page_shift) < 0)
                goto fail;
 
        return area->addr;
@@ -2755,7 +2845,7 @@ static void *__vmalloc_area_node(struct vm_struct *area, gfp_t gfp_mask,
 fail:
        warn_alloc(gfp_mask, NULL,
                          "vmalloc: allocation failure, allocated %ld of %ld bytes",
-                         (area->nr_pages*PAGE_SIZE), area->size);
+                         (area->nr_pages*PAGE_SIZE), size);
        __vfree(area->addr);
        return NULL;
 }
@@ -2786,19 +2876,45 @@ void *__vmalloc_node_range(unsigned long size, unsigned long align,
        struct vm_struct *area;
        void *addr;
        unsigned long real_size = size;
+       unsigned long real_align = align;
+       unsigned int shift = PAGE_SHIFT;
 
-       size = PAGE_ALIGN(size);
-       if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > totalram_pages())
+       if (!size || (size >> PAGE_SHIFT) > totalram_pages()) {
+               area = NULL;
                goto fail;
+       }
+
+       if (vmap_allow_huge && !(vm_flags & VM_NO_HUGE_VMAP) &&
+                       arch_vmap_pmd_supported(prot)) {
+               unsigned long size_per_node;
 
-       area = __get_vm_area_node(real_size, align, VM_ALLOC | VM_UNINITIALIZED |
+               /*
+                * Try huge pages. Only try for PAGE_KERNEL allocations,
+                * others like modules don't yet expect huge pages in
+                * their allocations due to apply_to_page_range not
+                * supporting them.
+                */
+
+               size_per_node = size;
+               if (node == NUMA_NO_NODE)
+                       size_per_node /= num_online_nodes();
+               if (size_per_node >= PMD_SIZE) {
+                       shift = PMD_SHIFT;
+                       align = max(real_align, 1UL << shift);
+                       size = ALIGN(real_size, 1UL << shift);
+               }
+       }
+
+again:
+       size = PAGE_ALIGN(size);
+       area = __get_vm_area_node(size, align, VM_ALLOC | VM_UNINITIALIZED |
                                vm_flags, start, end, node, gfp_mask, caller);
        if (!area)
                goto fail;
 
-       addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, node);
+       addr = __vmalloc_area_node(area, gfp_mask, prot, shift, node);
        if (!addr)
-               return NULL;
+               goto fail;
 
        /*
         * In this function, newly allocated vm_struct has VM_UNINITIALIZED
@@ -2812,8 +2928,18 @@ void *__vmalloc_node_range(unsigned long size, unsigned long align,
        return addr;
 
 fail:
-       warn_alloc(gfp_mask, NULL,
+       if (shift > PAGE_SHIFT) {
+               shift = PAGE_SHIFT;
+               align = real_align;
+               size = real_size;
+               goto again;
+       }
+
+       if (!area) {
+               /* Warn for area allocation, page allocations already warn */
+               warn_alloc(gfp_mask, NULL,
                          "vmalloc: allocation failure: %lu bytes", real_size);
+       }
        return NULL;
 }