lib/librte_eal/common/malloc_elem.c

   1 /*-
   2  *   BSD LICENSE
   3  *
   4  *   Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
   5  *   All rights reserved.
   6  *
   7  *   Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  *   modification, are permitted provided that the following conditions
   9  *   are met:
  10  *
  11  *     * Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *       notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  *     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *       notice, this list of conditions and the following disclaimer in
  15  *       the documentation and/or other materials provided with the
  16  *       distribution.
  17  *     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
  18  *       contributors may be used to endorse or promote products derived
  19  *       from this software without specific prior written permission.
  20  *
  21  *   THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  22  *   "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  23  *   LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
  24  *   A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
  25  *   OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
  26  *   SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
  27  *   LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
  28  *   DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
  29  *   THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  30  *   (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  31  *   OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  32  */
  33 #include <stdint.h>
  34 #include <stddef.h>
  35 #include <stdio.h>
  36 #include <string.h>
  37 #include <sys/queue.h>
  38
  39 #include <rte_memory.h>
  40 #include <rte_eal.h>
  41 #include <rte_launch.h>
  42 #include <rte_per_lcore.h>
  43 #include <rte_lcore.h>
  44 #include <rte_debug.h>
  45 #include <rte_common.h>
  46 #include <rte_spinlock.h>
  47
  48 #include "malloc_elem.h"
  49 #include "malloc_heap.h"
  50
  51 #define MIN_DATA_SIZE (RTE_CACHE_LINE_SIZE)
  52
  53 /*
  54  * Initialize a general malloc_elem header structure
  55  */
  56 void
  57 malloc_elem_init(struct malloc_elem *elem,
  58                 struct malloc_heap *heap, const struct rte_memseg *ms, size_t size)
  59 {
  60         elem->heap = heap;
  61         elem->ms = ms;
  62         elem->prev = NULL;
  63         memset(&elem->free_list, 0, sizeof(elem->free_list));
  64         elem->state = ELEM_FREE;
  65         elem->size = size;
  66         elem->pad = 0;
  67         set_header(elem);
  68         set_trailer(elem);
  69 }
  70
  71 /*
  72  * Initialize a dummy malloc_elem header for the end-of-memseg marker
  73  */
  74 void
  75 malloc_elem_mkend(struct malloc_elem *elem, struct malloc_elem *prev)
  76 {
  77         malloc_elem_init(elem, prev->heap, prev->ms, 0);
  78         elem->prev = prev;
  79         elem->state = ELEM_BUSY; /* mark busy so its never merged */
  80 }
  81
  82 /*
  83  * calculate the starting point of where data of the requested size
  84  * and alignment would fit in the current element. If the data doesn't
  85  * fit, return NULL.
  86  */
  87 static void *
  88 elem_start_pt(struct malloc_elem *elem, size_t size, unsigned align,
  89                 size_t bound)
  90 {
  91         const size_t bmask = ~(bound - 1);
  92         uintptr_t end_pt = (uintptr_t)elem +
  93                         elem->size - MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN;
  94         uintptr_t new_data_start = RTE_ALIGN_FLOOR((end_pt - size), align);
  95         uintptr_t new_elem_start;
  96
  97         /* check boundary */
  98         if ((new_data_start & bmask) != ((end_pt - 1) & bmask)) {
  99                 end_pt = RTE_ALIGN_FLOOR(end_pt, bound);
 100                 new_data_start = RTE_ALIGN_FLOOR((end_pt - size), align);
 101                 end_pt = new_data_start + size;
 102                 if (((end_pt - 1) & bmask) != (new_data_start & bmask))
 103                         return NULL;
 104         }
 105
 106         new_elem_start = new_data_start - MALLOC_ELEM_HEADER_LEN;
 107
 108         /* if the new start point is before the exist start, it won't fit */
 109         return (new_elem_start < (uintptr_t)elem) ? NULL : (void *)new_elem_start;
 110 }
 111
 112 /*
 113  * use elem_start_pt to determine if we get meet the size and
 114  * alignment request from the current element
 115  */
 116 int
 117 malloc_elem_can_hold(struct malloc_elem *elem, size_t size,     unsigned align,
 118                 size_t bound)
 119 {
 120         return elem_start_pt(elem, size, align, bound) != NULL;
 121 }
 122
 123 /*
 124  * split an existing element into two smaller elements at the given
 125  * split_pt parameter.
 126  */
 127 static void
 128 split_elem(struct malloc_elem *elem, struct malloc_elem *split_pt)
 129 {
 130         struct malloc_elem *next_elem = RTE_PTR_ADD(elem, elem->size);
 131         const size_t old_elem_size = (uintptr_t)split_pt - (uintptr_t)elem;
 132         const size_t new_elem_size = elem->size - old_elem_size;
 133
 134         malloc_elem_init(split_pt, elem->heap, elem->ms, new_elem_size);
 135         split_pt->prev = elem;
 136         next_elem->prev = split_pt;
 137         elem->size = old_elem_size;
 138         set_trailer(elem);
 139 }
 140
 141 /*
 142  * Given an element size, compute its freelist index.
 143  * We free an element into the freelist containing similarly-sized elements.
 144  * We try to allocate elements starting with the freelist containing
 145  * similarly-sized elements, and if necessary, we search freelists
 146  * containing larger elements.
 147  *
 148  * Example element size ranges for a heap with five free lists:
 149  *   heap->free_head[0] - (0   , 2^8]
 150  *   heap->free_head[1] - (2^8 , 2^10]
 151  *   heap->free_head[2] - (2^10 ,2^12]
 152  *   heap->free_head[3] - (2^12, 2^14]
 153  *   heap->free_head[4] - (2^14, MAX_SIZE]
 154  */
 155 size_t
 156 malloc_elem_free_list_index(size_t size)
 157 {
 158 #define MALLOC_MINSIZE_LOG2   8
 159 #define MALLOC_LOG2_INCREMENT 2
 160
 161         size_t log2;
 162         size_t index;
 163
 164         if (size <= (1UL << MALLOC_MINSIZE_LOG2))
 165                 return 0;
 166
 167         /* Find next power of 2 >= size. */
 168         log2 = sizeof(size) * 8 - __builtin_clzl(size-1);
 169
 170         /* Compute freelist index, based on log2(size). */
 171         index = (log2 - MALLOC_MINSIZE_LOG2 + MALLOC_LOG2_INCREMENT - 1) /
 172                 MALLOC_LOG2_INCREMENT;
 173
 174         return index <= RTE_HEAP_NUM_FREELISTS-1?
 175                 index: RTE_HEAP_NUM_FREELISTS-1;
 176 }
 177
 178 /*
 179  * Add the specified element to its heap's free list.
 180  */
 181 void
 182 malloc_elem_free_list_insert(struct malloc_elem *elem)
 183 {
 184         size_t idx;
 185
 186         idx = malloc_elem_free_list_index(elem->size - MALLOC_ELEM_HEADER_LEN);
 187         elem->state = ELEM_FREE;
 188         LIST_INSERT_HEAD(&elem->heap->free_head[idx], elem, free_list);
 189 }
 190
 191 /*
 192  * Remove the specified element from its heap's free list.
 193  */
 194 static void
 195 elem_free_list_remove(struct malloc_elem *elem)
 196 {
 197         LIST_REMOVE(elem, free_list);
 198 }
 199
 200 /*
 201  * reserve a block of data in an existing malloc_elem. If the malloc_elem
 202  * is much larger than the data block requested, we split the element in two.
 203  * This function is only called from malloc_heap_alloc so parameter checking
 204  * is not done here, as it's done there previously.
 205  */
 206 struct malloc_elem *
 207 malloc_elem_alloc(struct malloc_elem *elem, size_t size, unsigned align,
 208                 size_t bound)
 209 {
 210         struct malloc_elem *new_elem = elem_start_pt(elem, size, align, bound);
 211         const size_t old_elem_size = (uintptr_t)new_elem - (uintptr_t)elem;
 212         const size_t trailer_size = elem->size - old_elem_size - size -
 213                 MALLOC_ELEM_OVERHEAD;
 214
 215         elem_free_list_remove(elem);
 216
 217         if (trailer_size > MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 218                 /* split it, too much free space after elem */
 219                 struct malloc_elem *new_free_elem =
 220                                 RTE_PTR_ADD(new_elem, size + MALLOC_ELEM_OVERHEAD);
 221
 222                 split_elem(elem, new_free_elem);
 223                 malloc_elem_free_list_insert(new_free_elem);
 224         }
 225
 226         if (old_elem_size < MALLOC_ELEM_OVERHEAD + MIN_DATA_SIZE) {
 227                 /* don't split it, pad the element instead */
 228                 elem->state = ELEM_BUSY;
 229                 elem->pad = old_elem_size;
 230
 231                 /* put a dummy header in padding, to point to real element header */
 232                 if (elem->pad > 0) { /* pad will be at least 64-bytes, as everything
 233                                      * is cache-line aligned */
 234                         new_elem->pad = elem->pad;
 235                         new_elem->state = ELEM_PAD;
 236                         new_elem->size = elem->size - elem->pad;
 237                         set_header(new_elem);
 238                 }
 239
 240                 return new_elem;
 241         }
 242
 243         /* we are going to split the element in two. The original element
 244          * remains free, and the new element is the one allocated.
 245          * Re-insert original element, in case its new size makes it
 246          * belong on a different list.
 247          */
 248         split_elem(elem, new_elem);
 249         new_elem->state = ELEM_BUSY;
 250         malloc_elem_free_list_insert(elem);
 251
 252         return new_elem;
 253 }
 254
 255 /*
 256  * join two struct malloc_elem together. elem1 and elem2 must
 257  * be contiguous in memory.
 258  */
 259 static inline void
 260 join_elem(struct malloc_elem *elem1, struct malloc_elem *elem2)
 261 {
 262         struct malloc_elem *next = RTE_PTR_ADD(elem2, elem2->size);
 263         elem1->size += elem2->size;
 264         next->prev = elem1;
 265 }
 266
 267 /*
 268  * free a malloc_elem block by adding it to the free list. If the
 269  * blocks either immediately before or immediately after newly freed block
 270  * are also free, the blocks are merged together.
 271  */
 272 int
 273 malloc_elem_free(struct malloc_elem *elem)
 274 {
 275         if (!malloc_elem_cookies_ok(elem) || elem->state != ELEM_BUSY)
 276                 return -1;
 277
 278         rte_spinlock_lock(&(elem->heap->lock));
 279         size_t sz = elem->size - sizeof(*elem) - MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN;
 280         uint8_t *ptr = (uint8_t *)&elem[1];
 281         struct malloc_elem *next = RTE_PTR_ADD(elem, elem->size);
 282         if (next->state == ELEM_FREE){
 283                 /* remove from free list, join to this one */
 284                 elem_free_list_remove(next);
 285                 join_elem(elem, next);
 286                 sz += (sizeof(*elem) + MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 287         }
 288
 289         /* check if previous element is free, if so join with it and return,
 290          * need to re-insert in free list, as that element's size is changing
 291          */
 292         if (elem->prev != NULL && elem->prev->state == ELEM_FREE) {
 293                 elem_free_list_remove(elem->prev);
 294                 join_elem(elem->prev, elem);
 295                 sz += (sizeof(*elem) + MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 296                 ptr -= (sizeof(*elem) + MALLOC_ELEM_TRAILER_LEN);
 297                 elem = elem->prev;
 298         }
 299         malloc_elem_free_list_insert(elem);
 300
 301         /* decrease heap's count of allocated elements */
 302         elem->heap->alloc_count--;
 303
 304         memset(ptr, 0, sz);
 305
 306         rte_spinlock_unlock(&(elem->heap->lock));
 307
 308         return 0;
 309 }
 310
 311 /*
 312  * attempt to resize a malloc_elem by expanding into any free space
 313  * immediately after it in memory.
 314  */
 315 int
 316 malloc_elem_resize(struct malloc_elem *elem, size_t size)
 317 {
 318         const size_t new_size = size + elem->pad + MALLOC_ELEM_OVERHEAD;
 319         /* if we request a smaller size, then always return ok */
 320         if (elem->size >= new_size)
 321                 return 0;
 322
 323         struct malloc_elem *next = RTE_PTR_ADD(elem, elem->size);
 324         rte_spinlock_lock(&elem->heap->lock);
 325         if (next ->state != ELEM_FREE)
 326                 goto err_return;
 327         if (elem->size + next->size < new_size)
 328                 goto err_return;
 329
 330         /* we now know the element fits, so remove from free list,
 331          * join the two
 332          */
 333         elem_free_list_remove(next);
 334         join_elem(elem, next);
 335
 336         if (elem->size - new_size >= MIN_DATA_SIZE + MALLOC_ELEM_OVERHEAD) {
 337                 /* now we have a big block together. Lets cut it down a bit, by splitting */
 338                 struct malloc_elem *split_pt = RTE_PTR_ADD(elem, new_size);
 339                 split_pt = RTE_PTR_ALIGN_CEIL(split_pt, RTE_CACHE_LINE_SIZE);
 340                 split_elem(elem, split_pt);
 341                 malloc_elem_free_list_insert(split_pt);
 342         }
 343         rte_spinlock_unlock(&elem->heap->lock);
 344         return 0;
 345
 346 err_return:
 347         rte_spinlock_unlock(&elem->heap->lock);
 348         return -1;
 349 }