lib/librte_eal/common/malloc_elem.c

   1 /* SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   2  * Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation
   3  */
   4 #include <inttypes.h>
   5 #include <stdint.h>
   6 #include <stddef.h>
   7 #include <stdio.h>
   8 #include <string.h>
   9 #include <unistd.h>
  10 #include <sys/queue.h>
  11
  12 #include <rte_memory.h>
  13 #include <rte_eal.h>
  14 #include <rte_launch.h>
  15 #include <rte_per_lcore.h>
  16 #include <rte_lcore.h>
  17 #include <rte_debug.h>
  18 #include <rte_common.h>
  19 #include <rte_spinlock.h>
  20
  21 #include "eal_memalloc.h"
  22 #include "malloc_elem.h"
  23 #include "malloc_heap.h"
  24
  25 #define MIN_DATA_SIZE (RTE_CACHE_LINE_SIZE)
  26
  27 /*
  28  * Initialize a general malloc_elem header structure
  29  */
  30 void
  31 malloc_elem_init(struct malloc_elem *elem, struct malloc_heap *heap,
  32                 struct rte_memseg_list *msl, size_t size)
  33 {
  34         elem->heap = heap;
  35         elem->msl = msl;
  36         elem->prev = NULL;
  37         elem->next = NULL;
  38         memset(&elem->free_list, 0, sizeof(elem->free_list));
  39         elem->state = ELEM_FREE;
  40         elem->size = size;
  41         elem->pad = 0;
  42         set_header(elem);
  43         set_trailer(elem);
  44 }
  45
  46 void
  47 malloc_elem_insert(struct malloc_elem *elem)
  48 {
  49         struct malloc_elem *prev_elem, *next_elem;
  50         struct malloc_heap *heap = elem->heap;
  51
  52         /* first and last elements must be both NULL or both non-NULL */
  53         if ((heap->first == NULL) != (heap->last == NULL)) {
  54                 RTE_LOG(ERR, EAL, "Heap is probably corrupt\n");
  55                 return;
  56         }
  57
  58         if (heap->first == NULL && heap->last == NULL) {
  59                 /* if empty heap */
  60                 heap->first = elem;
  61                 heap->last = elem;
  62                 prev_elem = NULL;
  63                 next_elem = NULL;
  64         } else if (elem < heap->first) {
  65                 /* if lower than start */
  66                 prev_elem = NULL;
  67                 next_elem = heap->first;
  68                 heap->first = elem;
  69         } else if (elem > heap->last) {
  70                 /* if higher than end */
  71                 prev_elem = heap->last;
  72                 next_elem = NULL;
  73                 heap->last = elem;
  74         } else {
  75                 /* the new memory is somewhere inbetween start and end */
  76                 uint64_t dist_from_start, dist_from_end;
  77
  78                 dist_from_end = RTE_PTR_DIFF(heap->last, elem);
  79                 dist_from_start = RTE_PTR_DIFF(elem, heap->first);
  80
  81                 /* check which is closer, and find closest list entries */
  82                 if (dist_from_start < dist_from_end) {
  83                         prev_elem = heap->first;
  84                         while (prev_elem->next < elem)
  85                                 prev_elem = prev_elem->next;
  86                         next_elem = prev_elem->next;
  87                 } else {
  88                         next_elem = heap->last;
  89                         while (next_elem->prev > elem)
  90                                 next_elem = next_elem->prev;
  91                         prev_elem = next_elem->prev;
  92                 }
  93         }
  94
  95         /* insert new element */
  96         elem->prev = prev_elem;
  97         elem->next = next_elem;
  98         if (prev_elem)
  99                 prev_elem->next = elem;
 100         if (next_elem)
 101                 next_elem->prev = elem;
 102 }
 103
 104 /*
 105  * Attempt to find enough physically contiguous memory in this block to store
 106  * our data. Assume that element has at least enough space to fit in the data,
 107  * so we just check the page addresses.
 108  */
 109 static bool
 110 elem_check_phys_contig(const struct rte_memseg_list *msl,
 111                 void *start, size_t size)
 112 {
 113         return eal_memalloc_is_contig(msl, start, size);
 114 }
 115
 116 /*
 117  * calculate the starting point of where data of the requested size
 118  * and alignment would fit in the current element. If the data doesn't
 119  * fit, return NULL.
 120  */
 121 static void *
 122 elem_start_pt(struct malloc_elem *elem, size_t size, unsigned align,
 123                 size_t bound, bool contig)
 124 {
 125         size_t elem_size = elem->size;
 126
 127         /*
 128          * we're allocating from the end, so adjust the size of element by
 129          * alignment size.
 130          */
 131         while (elem_size >= size) {
 132                 const size_t bmask = ~(bound - 1);
 133                 uintptr_t end_pt = (uintptr_t)elem +
 134                                 elem_size - MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN;
 135                 uintptr_t new_data_start = RTE_ALIGN_FLOOR((end_pt - size),
 136                                 align);
 137                 uintptr_t new_elem_start;
 138
 139                 /* check boundary */
 140                 if ((new_data_start & bmask) != ((end_pt - 1) & bmask)) {
 141                         end_pt = RTE_ALIGN_FLOOR(end_pt, bound);
 142                         new_data_start = RTE_ALIGN_FLOOR((end_pt - size),
 143                                         align);
 144                         end_pt = new_data_start + size;
 145
 146                         if (((end_pt - 1) & bmask) != (new_data_start & bmask))
 147                                 return NULL;
 148                 }
 149
 150                 new_elem_start = new_data_start - MALLOC_ELEM_HEADER_LEN;
 151
 152                 /* if the new start point is before the exist start,
 153                  * it won't fit
 154                  */
 155                 if (new_elem_start < (uintptr_t)elem)
 156                         return NULL;
 157
 158                 if (contig) {
 159                         size_t new_data_size = end_pt - new_data_start;
 160
 161                         /*
 162                          * if physical contiguousness was requested and we
 163                          * couldn't fit all data into one physically contiguous
 164                          * block, try again with lower addresses.
 165                          */
 166                         if (!elem_check_phys_contig(elem->msl,
 167                                         (void *)new_data_start,
 168                                         new_data_size)) {
 169                                 elem_size -= align;
 170                                 continue;
 171                         }
 172                 }
 173                 return (void *)new_elem_start;
 174         }
 175         return NULL;
 176 }
 177
 178 /*
 179  * use elem_start_pt to determine if we get meet the size and
 180  * alignment request from the current element
 181  */
 182 int
 183 malloc_elem_can_hold(struct malloc_elem *elem, size_t size,     unsigned align,
 184                 size_t bound, bool contig)
 185 {
 186         return elem_start_pt(elem, size, align, bound, contig) != NULL;
 187 }
 188
 189 /*
 190  * split an existing element into two smaller elements at the given
 191  * split_pt parameter.
 192  */
 193 static void
 194 split_elem(struct malloc_elem *elem, struct malloc_elem *split_pt)
 195 {
 196         struct malloc_elem *next_elem = elem->next;
 197         const size_t old_elem_size = (uintptr_t)split_pt - (uintptr_t)elem;
 198         const size_t new_elem_size = elem->size - old_elem_size;
 199
 200         malloc_elem_init(split_pt, elem->heap, elem->msl, new_elem_size);
 201         split_pt->prev = elem;
 202         split_pt->next = next_elem;
 203         if (next_elem)
 204                 next_elem->prev = split_pt;
 205         else
 206                 elem->heap->last = split_pt;
 207         elem->next = split_pt;
 208         elem->size = old_elem_size;
 209         set_trailer(elem);
 210 }
 211
 212 /*
 213  * our malloc heap is a doubly linked list, so doubly remove our element.
 214  */
 215 static void __rte_unused
 216 remove_elem(struct malloc_elem *elem)
 217 {
 218         struct malloc_elem *next, *prev;
 219         next = elem->next;
 220         prev = elem->prev;
 221
 222         if (next)
 223                 next->prev = prev;
 224         else
 225                 elem->heap->last = prev;
 226         if (prev)
 227                 prev->next = next;
 228         else
 229                 elem->heap->first = next;
 230
 231         elem->prev = NULL;
 232         elem->next = NULL;
 233 }
 234
 235 static int
 236 next_elem_is_adjacent(struct malloc_elem *elem)
 237 {
 238         return elem->next == RTE_PTR_ADD(elem, elem->size);
 239 }
 240
 241 static int
 242 prev_elem_is_adjacent(struct malloc_elem *elem)
 243 {
 244         return elem == RTE_PTR_ADD(elem->prev, elem->prev->size);
 245 }
 246
 247 /*
 248  * Given an element size, compute its freelist index.
 249  * We free an element into the freelist containing similarly-sized elements.
 250  * We try to allocate elements starting with the freelist containing
 251  * similarly-sized elements, and if necessary, we search freelists
 252  * containing larger elements.
 253  *
 254  * Example element size ranges for a heap with five free lists:
 255  *   heap->free_head[0] - (0   , 2^8]
 256  *   heap->free_head[1] - (2^8 , 2^10]
 257  *   heap->free_head[2] - (2^10 ,2^12]
 258  *   heap->free_head[3] - (2^12, 2^14]
 259  *   heap->free_head[4] - (2^14, MAX_SIZE]
 260  */
 261 size_t
 262 malloc_elem_free_list_index(size_t size)
 263 {
 264 #define MALLOC_MINSIZE_LOG2   8
 265 #define MALLOC_LOG2_INCREMENT 2
 266
 267         size_t log2;
 268         size_t index;
 269
 270         if (size <= (1UL << MALLOC_MINSIZE_LOG2))
 271                 return 0;
 272
 273         /* Find next power of 2 >= size. */
 274         log2 = sizeof(size) * 8 - __builtin_clzl(size-1);
 275
 276         /* Compute freelist index, based on log2(size). */
 277         index = (log2 - MALLOC_MINSIZE_LOG2 + MALLOC_LOG2_INCREMENT - 1) /
 278                 MALLOC_LOG2_INCREMENT;
 279
 280         return index <= RTE_HEAP_NUM_FREELISTS-1?
 281                 index: RTE_HEAP_NUM_FREELISTS-1;
 282 }
 283
 284 /*
 285  * Add the specified element to its heap's free list.
 286  */
 287 void
 288 malloc_elem_free_list_insert(struct malloc_elem *elem)
 289 {
 290         size_t idx;
 291
 292         idx = malloc_elem_free_list_index(elem->size - MALLOC_ELEM_HEADER_LEN);
 293         elem->state = ELEM_FREE;
 294         LIST_INSERT_HEAD(&elem->heap->free_head[idx], elem, free_list);
 295 }
 296
 297 /*
 298  * Remove the specified element from its heap's free list.
 299  */
 300 void
 301 malloc_elem_free_list_remove(struct malloc_elem *elem)
 302 {
 303         LIST_REMOVE(elem, free_list);
 304 }
 305
 306 /*
 307  * reserve a block of data in an existing malloc_elem. If the malloc_elem
 308  * is much larger than the data block requested, we split the element in two.
 309  * This function is only called from malloc_heap_alloc so parameter checking
 310  * is not done here, as it's done there previously.
 311  */
 312 struct malloc_elem *
 313 malloc_elem_alloc(struct malloc_elem *elem, size_t size, unsigned align,
 314                 size_t bound, bool contig)
 315 {
 316         struct malloc_elem *new_elem = elem_start_pt(elem, size, align, bound,
 317                         contig);
 318         const size_t old_elem_size = (uintptr_t)new_elem - (uintptr_t)elem;
 319         const size_t trailer_size = elem->size - old_elem_size - size -
 320                 MALLOC_ELEM_OVERHEAD;
 321
 322         malloc_elem_free_list_remove(elem);
 323
 324         if (trailer_size > MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 325                 /* split it, too much free space after elem */
 326                 struct malloc_elem *new_free_elem =
 327                                 RTE_PTR_ADD(new_elem, size + MALLOC_ELEM_OVERHEAD);
 328
 329                 split_elem(elem, new_free_elem);
 330                 malloc_elem_free_list_insert(new_free_elem);
 331
 332                 if (elem == elem->heap->last)
 333                         elem->heap->last = new_free_elem;
 334         }
 335
 336         if (old_elem_size < MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 337                 /* don't split it, pad the element instead */
 338                 elem->state = ELEM_BUSY;
 339                 elem->pad = old_elem_size;
 340
 341                 /* put a dummy header in padding, to point to real element header */
 342                 if (elem->pad > 0) { /* pad will be at least 64-bytes, as everything
 343                                      * is cache-line aligned */
 344                         new_elem->pad = elem->pad;
 345                         new_elem->state = ELEM_PAD;
 346                         new_elem->size = elem->size - elem->pad;
 347                         set_header(new_elem);
 348                 }
 349
 350                 return new_elem;
 351         }
 352
 353         /* we are going to split the element in two. The original element
 354          * remains free, and the new element is the one allocated.
 355          * Re-insert original element, in case its new size makes it
 356          * belong on a different list.
 357          */
 358         split_elem(elem, new_elem);
 359         new_elem->state = ELEM_BUSY;
 360         malloc_elem_free_list_insert(elem);
 361
 362         return new_elem;
 363 }
 364
 365 /*
 366  * join two struct malloc_elem together. elem1 and elem2 must
 367  * be contiguous in memory.
 368  */
 369 static inline void
 370 join_elem(struct malloc_elem *elem1, struct malloc_elem *elem2)
 371 {
 372         struct malloc_elem *next = elem2->next;
 373         elem1->size += elem2->size;
 374         if (next)
 375                 next->prev = elem1;
 376         else
 377                 elem1->heap->last = elem1;
 378         elem1->next = next;
 379 }
 380
 381 struct malloc_elem *
 382 malloc_elem_join_adjacent_free(struct malloc_elem *elem)
 383 {
 384         /*
 385          * check if next element exists, is adjacent and is free, if so join
 386          * with it, need to remove from free list.
 387          */
 388         if (elem->next != NULL && elem->next->state == ELEM_FREE &&
 389                         next_elem_is_adjacent(elem)) {
 390                 void *erase;
 391
 392                 /* we will want to erase the trailer and header */
 393                 erase = RTE_PTR_SUB(elem->next, MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 394
 395                 /* remove from free list, join to this one */
 396                 malloc_elem_free_list_remove(elem->next);
 397                 join_elem(elem, elem->next);
 398
 399                 /* erase header and trailer */
 400                 memset(erase, 0, MALLOC_ELEM_OVERHEAD);
 401         }
 402
 403         /*
 404          * check if prev element exists, is adjacent and is free, if so join
 405          * with it, need to remove from free list.
 406          */
 407         if (elem->prev != NULL && elem->prev->state == ELEM_FREE &&
 408                         prev_elem_is_adjacent(elem)) {
 409                 struct malloc_elem *new_elem;
 410                 void *erase;
 411
 412                 /* we will want to erase trailer and header */
 413                 erase = RTE_PTR_SUB(elem, MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 414
 415                 /* remove from free list, join to this one */
 416                 malloc_elem_free_list_remove(elem->prev);
 417
 418                 new_elem = elem->prev;
 419                 join_elem(new_elem, elem);
 420
 421                 /* erase header and trailer */
 422                 memset(erase, 0, MALLOC_ELEM_OVERHEAD);
 423
 424                 elem = new_elem;
 425         }
 426
 427         return elem;
 428 }
 429
 430 /*
 431  * free a malloc_elem block by adding it to the free list. If the
 432  * blocks either immediately before or immediately after newly freed block
 433  * are also free, the blocks are merged together.
 434  */
 435 struct malloc_elem *
 436 malloc_elem_free(struct malloc_elem *elem)
 437 {
 438         void *ptr;
 439         size_t data_len;
 440
 441         ptr = RTE_PTR_ADD(elem, sizeof(*elem));
 442         data_len = elem->size - MALLOC_ELEM_OVERHEAD;
 443
 444         elem = malloc_elem_join_adjacent_free(elem);
 445
 446         malloc_elem_free_list_insert(elem);
 447
 448         elem->pad = 0;
 449
 450         /* decrease heap's count of allocated elements */
 451         elem->heap->alloc_count--;
 452
 453         memset(ptr, 0, data_len);
 454
 455         return elem;
 456 }
 457
 458 /* assume all checks were already done */
 459 void
 460 malloc_elem_hide_region(struct malloc_elem *elem, void *start, size_t len)
 461 {
 462         struct malloc_elem *hide_start, *hide_end, *prev, *next;
 463         size_t len_before, len_after;
 464
 465         hide_start = start;
 466         hide_end = RTE_PTR_ADD(start, len);
 467
 468         prev = elem->prev;
 469         next = elem->next;
 470
 471         /* we cannot do anything with non-adjacent elements */
 472         if (next && next_elem_is_adjacent(elem)) {
 473                 len_after = RTE_PTR_DIFF(next, hide_end);
 474                 if (len_after >= MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 475                         /* split after */
 476                         split_elem(elem, hide_end);
 477
 478                         malloc_elem_free_list_insert(hide_end);
 479                 } else if (len_after >= MALLOC_ELEM_HEADER_LEN) {
 480                         /* shrink current element */
 481                         elem->size -= len_after;
 482                         memset(hide_end, 0, sizeof(*hide_end));
 483
 484                         /* copy next element's data to our pad */
 485                         memcpy(hide_end, next, sizeof(*hide_end));
 486
 487                         /* pad next element */
 488                         next->state = ELEM_PAD;
 489                         next->pad = len_after;
 490                         next->size -= len_after;
 491
 492                         /* next element busy, would've been merged otherwise */
 493                         hide_end->pad = len_after;
 494                         hide_end->size += len_after;
 495
 496                         /* adjust pointers to point to our new pad */
 497                         if (next->next)
 498                                 next->next->prev = hide_end;
 499                         elem->next = hide_end;
 500                 } else if (len_after > 0) {
 501                         RTE_LOG(ERR, EAL, "Unaligned element, heap is probably corrupt\n");
 502                         return;
 503                 }
 504         }
 505
 506         /* we cannot do anything with non-adjacent elements */
 507         if (prev && prev_elem_is_adjacent(elem)) {
 508                 len_before = RTE_PTR_DIFF(hide_start, elem);
 509                 if (len_before >= MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 510                         /* split before */
 511                         split_elem(elem, hide_start);
 512
 513                         prev = elem;
 514                         elem = hide_start;
 515
 516                         malloc_elem_free_list_insert(prev);
 517                 } else if (len_before > 0) {
 518                         /*
 519                          * unlike with elements after current, here we don't
 520                          * need to pad elements, but rather just increase the
 521                          * size of previous element, copy the old header and set
 522                          * up trailer.
 523                          */
 524                         void *trailer = RTE_PTR_ADD(prev,
 525                                         prev->size - MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 526
 527                         memcpy(hide_start, elem, sizeof(*elem));
 528                         hide_start->size = len;
 529
 530                         prev->size += len_before;
 531                         set_trailer(prev);
 532
 533                         /* update pointers */
 534                         prev->next = hide_start;
 535                         if (next)
 536                                 next->prev = hide_start;
 537
 538                         /* erase old trailer */
 539                         memset(trailer, 0, MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 540                         /* erase old header */
 541                         memset(elem, 0, sizeof(*elem));
 542
 543                         elem = hide_start;
 544                 }
 545         }
 546
 547         remove_elem(elem);
 548 }
 549
 550 /*
 551  * attempt to resize a malloc_elem by expanding into any free space
 552  * immediately after it in memory.
 553  */
 554 int
 555 malloc_elem_resize(struct malloc_elem *elem, size_t size)
 556 {
 557         const size_t new_size = size + elem->pad + MALLOC_ELEM_OVERHEAD;
 558
 559         /* if we request a smaller size, then always return ok */
 560         if (elem->size >= new_size)
 561                 return 0;
 562
 563         /* check if there is a next element, it's free and adjacent */
 564         if (!elem->next || elem->next->state != ELEM_FREE ||
 565                         !next_elem_is_adjacent(elem))
 566                 return -1;
 567         if (elem->size + elem->next->size < new_size)
 568                 return -1;
 569
 570         /* we now know the element fits, so remove from free list,
 571          * join the two
 572          */
 573         malloc_elem_free_list_remove(elem->next);
 574         join_elem(elem, elem->next);
 575
 576         if (elem->size - new_size >= MIN_DATA_SIZE + MALLOC_ELEM_OVERHEAD) {
 577                 /* now we have a big block together. Lets cut it down a bit, by splitting */
 578                 struct malloc_elem *split_pt = RTE_PTR_ADD(elem, new_size);
 579                 split_pt = RTE_PTR_ALIGN_CEIL(split_pt, RTE_CACHE_LINE_SIZE);
 580                 split_elem(elem, split_pt);
 581                 malloc_elem_free_list_insert(split_pt);
 582         }
 583         return 0;
 584 }
 585
 586 static inline const char *
 587 elem_state_to_str(enum elem_state state)
 588 {
 589         switch (state) {
 590         case ELEM_PAD:
 591                 return "PAD";
 592         case ELEM_BUSY:
 593                 return "BUSY";
 594         case ELEM_FREE:
 595                 return "FREE";
 596         }
 597         return "ERROR";
 598 }
 599
 600 void
 601 malloc_elem_dump(const struct malloc_elem *elem, FILE *f)
 602 {
 603         fprintf(f, "Malloc element at %p (%s)\n", elem,
 604                         elem_state_to_str(elem->state));
 605         fprintf(f, "  len: 0x%zx pad: 0x%" PRIx32 "\n", elem->size, elem->pad);
 606         fprintf(f, "  prev: %p next: %p\n", elem->prev, elem->next);
 607 }