api: API trace improvements
[vpp.git] / src / vppinfra / pool.h
1 /*
2  * Copyright (c) 2015 Cisco and/or its affiliates.
3  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
4  * you may not use this file except in compliance with the License.
5  * You may obtain a copy of the License at:
6  *
7  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
8  *
9  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
10  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
11  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
12  * See the License for the specific language governing permissions and
13  * limitations under the License.
14  */
15 /*
16   Copyright (c) 2001, 2002, 2003, 2004 Eliot Dresselhaus
17
18   Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining
19   a copy of this software and associated documentation files (the
20   "Software"), to deal in the Software without restriction, including
21   without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
22   distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
23   permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
24   the following conditions:
25
26   The above copyright notice and this permission notice shall be
27   included in all copies or substantial portions of the Software.
28
29   THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
30   EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
31   MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
32   NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE
33   LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION
34   OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION
35   WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
36 */
37 /** @file
38  * @brief Fixed length block allocator.
39    Pools are built from clib vectors and bitmaps. Use pools when
40    repeatedly allocating and freeing fixed-size data. Pools are
41    fast, and avoid memory fragmentation.
42  */
43
44 #ifndef included_pool_h
45 #define included_pool_h
46
47 #include <vppinfra/bitmap.h>
48 #include <vppinfra/error.h>
49
50
51 typedef struct
52 {
53   /** Bitmap of indices of free objects. */
54   uword *free_bitmap;
55
56   /** Vector of free indices.  One element for each set bit in bitmap. */
57   u32 *free_indices;
58
59   /* The following fields are set for fixed-size, preallocated pools */
60
61   /** Maximum size of the pool, in elements */
62   u32 max_elts;
63
64   /** mmap segment info: base + length */
65   u8 *mmap_base;
66   u64 mmap_size;
67
68 } pool_header_t;
69
70 /** Align pool header so that pointers are naturally aligned. */
71 #define pool_aligned_header_bytes \
72   vec_aligned_header_bytes (sizeof (pool_header_t), sizeof (void *))
73
74 /** Get pool header from user pool pointer */
75 always_inline pool_header_t *
76 pool_header (void *v)
77 {
78   return vec_aligned_header (v, sizeof (pool_header_t), sizeof (void *));
79 }
80
81 extern void _pool_init_fixed (void **, u32, u32);
82 extern void fpool_free (void *);
83
84 /** initialize a fixed-size, preallocated pool */
85 #define pool_init_fixed(pool,max_elts)                  \
86 {                                                       \
87   _pool_init_fixed((void **)&(pool),sizeof(pool[0]),max_elts);  \
88 }
89
90 /** Validate a pool */
91 always_inline void
92 pool_validate (void *v)
93 {
94   pool_header_t *p = pool_header (v);
95   uword i, n_free_bitmap;
96
97   if (!v)
98     return;
99
100   n_free_bitmap = clib_bitmap_count_set_bits (p->free_bitmap);
101   ASSERT (n_free_bitmap == vec_len (p->free_indices));
102   for (i = 0; i < vec_len (p->free_indices); i++)
103     ASSERT (clib_bitmap_get (p->free_bitmap, p->free_indices[i]) == 1);
104 }
105
106 always_inline void
107 pool_header_validate_index (void *v, uword index)
108 {
109   pool_header_t *p = pool_header (v);
110
111   if (v)
112     vec_validate (p->free_bitmap, index / BITS (uword));
113 }
114
115 #define pool_validate_index(v,i)                                \
116 do {                                                            \
117   uword __pool_validate_index = (i);                            \
118   vec_validate_ha ((v), __pool_validate_index,                  \
119                    pool_aligned_header_bytes, /* align */ 0);   \
120   pool_header_validate_index ((v), __pool_validate_index);      \
121 } while (0)
122
123 /** Number of active elements in a pool.
124  * @return Number of active elements in a pool
125  */
126 always_inline uword
127 pool_elts (void *v)
128 {
129   uword ret = vec_len (v);
130   if (v)
131     ret -= vec_len (pool_header (v)->free_indices);
132   return ret;
133 }
134
135 /** Number of elements in pool vector.
136
137     @note You probably want to call pool_elts() instead.
138 */
139 #define pool_len(p)     vec_len(p)
140
141 /** Number of elements in pool vector (usable as an lvalue)
142
143     @note You probably don't want to use this macro.
144 */
145 #define _pool_len(p)    _vec_len(p)
146
147 /** Memory usage of pool header. */
148 always_inline uword
149 pool_header_bytes (void *v)
150 {
151   pool_header_t *p = pool_header (v);
152
153   if (!v)
154     return 0;
155
156   return vec_bytes (p->free_bitmap) + vec_bytes (p->free_indices);
157 }
158
159 /** Memory usage of pool. */
160 #define pool_bytes(P) (vec_bytes (P) + pool_header_bytes (P))
161
162 /** Local variable naming macro. */
163 #define _pool_var(v) _pool_##v
164
165 /** Queries whether pool has at least N_FREE free elements. */
166 always_inline uword
167 pool_free_elts (void *v)
168 {
169   pool_header_t *p = pool_header (v);
170   uword n_free = 0;
171
172   if (v)
173     {
174       n_free += vec_len (p->free_indices);
175
176       /*
177        * Space left at end of vector?
178        * Fixed-size pools have max_elts set non-zero,
179        */
180       if (p->max_elts == 0)
181         n_free += vec_capacity (v, sizeof (p[0])) - vec_len (v);
182     }
183
184   return n_free;
185 }
186
187 /** Allocate an object E from a pool P (general version).
188
189    First search free list.  If nothing is free extend vector of objects.
190 */
191 #define _pool_get_aligned_internal_numa(P,E,A,Z,N)                      \
192 do {                                                                    \
193   pool_header_t * _pool_var (p) = pool_header (P);                      \
194   uword _pool_var (l);                                                  \
195                                                                         \
196   STATIC_ASSERT(A==0 || ((A % sizeof(P[0]))==0)                         \
197                 || ((sizeof(P[0]) % A) == 0),                           \
198                 "Pool aligned alloc of incorrectly sized object");      \
199   _pool_var (l) = 0;                                                    \
200   if (P)                                                                \
201     _pool_var (l) = vec_len (_pool_var (p)->free_indices);              \
202                                                                         \
203   if (_pool_var (l) > 0)                                                \
204     {                                                                   \
205       /* Return free element from free list. */                         \
206       uword _pool_var (i) =                                             \
207         _pool_var (p)->free_indices[_pool_var (l) - 1];                 \
208       (E) = (P) + _pool_var (i);                                        \
209       _pool_var (p)->free_bitmap =                                      \
210         clib_bitmap_andnoti_notrim (_pool_var (p)->free_bitmap,         \
211                                      _pool_var (i));                    \
212       _vec_len (_pool_var (p)->free_indices) = _pool_var (l) - 1;       \
213       CLIB_MEM_UNPOISON((E), sizeof((E)[0]));                           \
214     }                                                                   \
215   else                                                                  \
216     {                                                                   \
217       /* fixed-size, preallocated pools cannot expand */                \
218       if ((P) && _pool_var(p)->max_elts)                                \
219         {                                                               \
220           clib_warning ("can't expand fixed-size pool");                \
221           os_out_of_memory();                                           \
222         }                                                               \
223       /* Nothing on free list, make a new element and return it. */     \
224       P = _vec_resize_numa (P,                                          \
225                        /* length_increment */ 1,                        \
226                        /* new size */ (vec_len (P) + 1) * sizeof (P[0]), \
227                        pool_aligned_header_bytes,                       \
228                        /* align */ (A),                                 \
229                        /* numa */ (N));                                 \
230       E = vec_end (P) - 1;                                              \
231     }                                                                   \
232   if (Z)                                                                \
233     memset(E, 0, sizeof(*E));                                           \
234 } while (0)
235
236 #define pool_get_aligned_zero_numa(P,E,A,Z,S) \
237   _pool_get_aligned_internal_numa(P,E,A,Z,S)
238
239 #define pool_get_aligned_numa(P,E,A,S) \
240   _pool_get_aligned_internal_numa(P,E,A,0/*zero*/,S)
241
242 #define pool_get_numa(P,E,S) \
243   _pool_get_aligned_internal_numa(P,E,0/*align*/,0/*zero*/,S)
244
245 #define _pool_get_aligned_internal(P,E,A,Z) \
246   _pool_get_aligned_internal_numa(P,E,A,Z,VEC_NUMA_UNSPECIFIED)
247
248 /** Allocate an object E from a pool P with alignment A */
249 #define pool_get_aligned(P,E,A) _pool_get_aligned_internal(P,E,A,0)
250
251 /** Allocate an object E from a pool P with alignment A and zero it */
252 #define pool_get_aligned_zero(P,E,A) _pool_get_aligned_internal(P,E,A,1)
253
254 /** Allocate an object E from a pool P (unspecified alignment). */
255 #define pool_get(P,E) pool_get_aligned(P,E,0)
256
257 /** Allocate an object E from a pool P and zero it */
258 #define pool_get_zero(P,E) pool_get_aligned_zero(P,E,0)
259
260 /** See if pool_get will expand the pool or not */
261 #define pool_get_aligned_will_expand(P,YESNO,A)                         \
262 do {                                                                    \
263   pool_header_t * _pool_var (p) = pool_header (P);                      \
264   uword _pool_var (l);                                                  \
265                                                                         \
266   _pool_var (l) = 0;                                                    \
267   if (P)                                                                \
268     {                                                                   \
269       if (_pool_var (p)->max_elts)                                      \
270         _pool_var (l) = _pool_var (p)->max_elts;                        \
271       else                                                              \
272         _pool_var (l) = vec_len (_pool_var (p)->free_indices);          \
273     }                                                                   \
274                                                                         \
275   /* Free elements, certainly won't expand */                           \
276   if (_pool_var (l) > 0)                                                \
277       YESNO=0;                                                          \
278   else                                                                  \
279     {                                                                   \
280       /* Nothing on free list, make a new element and return it. */     \
281       YESNO = _vec_resize_will_expand                                   \
282         (P,                                                             \
283          /* length_increment */ 1,                                      \
284          /* new size */ (vec_len (P) + 1) * sizeof (P[0]),              \
285          pool_aligned_header_bytes,                                     \
286          /* align */ (A));                                              \
287     }                                                                   \
288 } while (0)
289
290 /** Tell the caller if pool get will expand the pool */
291 #define pool_get_will_expand(P,YESNO) pool_get_aligned_will_expand(P,YESNO,0)
292
293 /** Use free bitmap to query whether given element is free. */
294 #define pool_is_free(P,E)                                               \
295 ({                                                                      \
296   pool_header_t * _pool_var (p) = pool_header (P);                      \
297   uword _pool_var (i) = (E) - (P);                                      \
298   (_pool_var (i) < vec_len (P)) ? clib_bitmap_get (_pool_var (p)->free_bitmap, _pool_i) : 1; \
299 })
300
301 /** Use free bitmap to query whether given index is free */
302 #define pool_is_free_index(P,I) pool_is_free((P),(P)+(I))
303
304 /** Free an object E in pool P. */
305 #define pool_put(P, E)                                                        \
306   do                                                                          \
307     {                                                                         \
308       typeof (P) _pool_var (p__) = (P);                                       \
309       typeof (E) _pool_var (e__) = (E);                                       \
310       pool_header_t *_pool_var (p) = pool_header (_pool_var (p__));           \
311       uword _pool_var (l) = _pool_var (e__) - _pool_var (p__);                \
312       if (_pool_var (p)->max_elts == 0)                                       \
313         ASSERT (vec_is_member (_pool_var (p__), _pool_var (e__)));            \
314       ASSERT (!pool_is_free (_pool_var (p__), _pool_var (e__)));              \
315                                                                               \
316       /* Add element to free bitmap and to free list. */                      \
317       _pool_var (p)->free_bitmap =                                            \
318         clib_bitmap_ori_notrim (_pool_var (p)->free_bitmap, _pool_var (l));   \
319                                                                               \
320       /* Preallocated pool? */                                                \
321       if (_pool_var (p)->max_elts)                                            \
322         {                                                                     \
323           ASSERT (_pool_var (l) < _pool_var (p)->max_elts);                   \
324           _pool_var (p)                                                       \
325             ->free_indices[_vec_len (_pool_var (p)->free_indices)] =          \
326             _pool_var (l);                                                    \
327           _vec_len (_pool_var (p)->free_indices) += 1;                        \
328         }                                                                     \
329       else                                                                    \
330         vec_add1 (_pool_var (p)->free_indices, _pool_var (l));                \
331                                                                               \
332       CLIB_MEM_POISON (_pool_var (e__), sizeof (_pool_var (e__)[0]));         \
333     }                                                                         \
334   while (0)
335
336 /** Free pool element with given index. */
337 #define pool_put_index(p,i)                     \
338 do {                                            \
339   typeof (p) _e = (p) + (i);                    \
340   pool_put (p, _e);                             \
341 } while (0)
342
343 /** Allocate N more free elements to pool (general version). */
344 #define pool_alloc_aligned(P,N,A)                                       \
345 do {                                                                    \
346   pool_header_t * _p;                                                   \
347                                                                         \
348   if ((P))                                                              \
349     {                                                                   \
350       _p = pool_header (P);                                             \
351       if (_p->max_elts)                                                 \
352         {                                                               \
353            clib_warning ("Can't expand fixed-size pool");               \
354            os_out_of_memory();                                          \
355         }                                                               \
356     }                                                                   \
357                                                                         \
358   (P) = _vec_resize ((P), 0, (vec_len (P) + (N)) * sizeof (P[0]),       \
359                      pool_aligned_header_bytes,                         \
360                      (A));                                              \
361   _p = pool_header (P);                                                 \
362   vec_resize (_p->free_indices, (N));                                   \
363   _vec_len (_p->free_indices) -= (N);                                   \
364 } while (0)
365
366 /** Allocate N more free elements to pool (unspecified alignment). */
367 #define pool_alloc(P,N) pool_alloc_aligned(P,N,0)
368
369 /**
370  * Return copy of pool with alignment
371  *
372  * @param P pool to copy
373  * @param A alignment (may be zero)
374  * @return copy of pool
375  */
376 #define pool_dup_aligned(P,A)                                           \
377 ({                                                                      \
378   typeof (P) _pool_var (new) = 0;                                       \
379   pool_header_t * _pool_var (ph), * _pool_var (new_ph);                 \
380   u32 _pool_var (n) = pool_len (P);                                     \
381   if ((P))                                                              \
382     {                                                                   \
383       _pool_var (new) = _vec_resize (_pool_var (new), _pool_var (n),    \
384                                      _pool_var (n) * sizeof ((P)[0]),   \
385                                      pool_aligned_header_bytes, (A));   \
386       clib_memcpy_fast (_pool_var (new), (P),                           \
387                         _pool_var (n) * sizeof ((P)[0]));               \
388       _pool_var (ph) = pool_header (P);                                 \
389       _pool_var (new_ph) = pool_header (_pool_var (new));               \
390       _pool_var (new_ph)->free_bitmap =                                 \
391         clib_bitmap_dup (_pool_var (ph)->free_bitmap);                  \
392       _pool_var (new_ph)->free_indices =                                \
393         vec_dup (_pool_var (ph)->free_indices);                         \
394       _pool_var (new_ph)->max_elts = _pool_var (ph)->max_elts;          \
395     }                                                                   \
396   _pool_var (new);                                                      \
397 })
398
399 /**
400  * Return copy of pool without alignment
401  *
402  * @param P pool to copy
403  * @return copy of pool
404  */
405 #define pool_dup(P) pool_dup_aligned(P,0)
406
407 /** Low-level free pool operator (do not call directly). */
408 always_inline void *
409 _pool_free (void *v)
410 {
411   pool_header_t *p = pool_header (v);
412   if (!v)
413     return v;
414   clib_bitmap_free (p->free_bitmap);
415
416   if (p->max_elts)
417     {
418       int rv;
419
420       rv = munmap (p->mmap_base, p->mmap_size);
421       if (rv)
422         clib_unix_warning ("munmap");
423     }
424   else
425     {
426       vec_free (p->free_indices);
427       vec_free_h (v, pool_aligned_header_bytes);
428     }
429   return 0;
430 }
431
432 static_always_inline uword
433 pool_get_first_index (void *pool)
434 {
435   pool_header_t *h = pool_header (pool);
436   return clib_bitmap_first_clear (h->free_bitmap);
437 }
438
439 static_always_inline uword
440 pool_get_next_index (void *pool, uword last)
441 {
442   pool_header_t *h = pool_header (pool);
443   return clib_bitmap_next_clear (h->free_bitmap, last + 1);
444 }
445
446 /** Free a pool. */
447 #define pool_free(p) (p) = _pool_free(p)
448
449 /** Optimized iteration through pool.
450
451     @param LO pointer to first element in chunk
452     @param HI pointer to last element in chunk
453     @param POOL pool to iterate across
454     @param BODY operation to perform
455
456     Optimized version which assumes that BODY is smart enough to
457     process multiple (LOW,HI) chunks. See also pool_foreach().
458  */
459 #define pool_foreach_region(LO,HI,POOL,BODY)                            \
460 do {                                                                    \
461   uword _pool_var (i), _pool_var (lo), _pool_var (hi), _pool_var (len); \
462   uword _pool_var (bl), * _pool_var (b);                                \
463   pool_header_t * _pool_var (p);                                        \
464                                                                         \
465   _pool_var (p) = pool_header (POOL);                                   \
466   _pool_var (b) = (POOL) ? _pool_var (p)->free_bitmap : 0;              \
467   _pool_var (bl) = vec_len (_pool_var (b));                             \
468   _pool_var (len) = vec_len (POOL);                                     \
469   _pool_var (lo) = 0;                                                   \
470                                                                         \
471   for (_pool_var (i) = 0;                                               \
472        _pool_var (i) <= _pool_var (bl);                                 \
473        _pool_var (i)++)                                                 \
474     {                                                                   \
475       uword _pool_var (m), _pool_var (f);                               \
476       _pool_var (m) = (_pool_var (i) < _pool_var (bl)                   \
477                        ? _pool_var (b) [_pool_var (i)]                  \
478                        : 1);                                            \
479       while (_pool_var (m) != 0)                                        \
480         {                                                               \
481           _pool_var (f) = first_set (_pool_var (m));                    \
482           _pool_var (hi) = (_pool_var (i) * BITS (_pool_var (b)[0])     \
483                             + min_log2 (_pool_var (f)));                \
484           _pool_var (hi) = (_pool_var (i) < _pool_var (bl)              \
485                             ? _pool_var (hi) : _pool_var (len));        \
486           _pool_var (m) ^= _pool_var (f);                               \
487           if (_pool_var (hi) > _pool_var (lo))                          \
488             {                                                           \
489               (LO) = _pool_var (lo);                                    \
490               (HI) = _pool_var (hi);                                    \
491               do { BODY; } while (0);                                   \
492             }                                                           \
493           _pool_var (lo) = _pool_var (hi) + 1;                          \
494         }                                                               \
495     }                                                                   \
496 } while (0)
497
498 /** Iterate through pool.
499
500     @param VAR A variable of same type as pool vector to be used as an
501                iterator.
502     @param POOL The pool to iterate across.
503     @param BODY The operation to perform, typically a code block. See
504                 the example below.
505
506     This macro will call @c BODY with each active pool element.
507
508     It is a bad idea to allocate or free pool element from within
509     @c pool_foreach. Build a vector of indices and dispose of them later.
510     Or call pool_flush.
511
512
513     @par Example
514     @code{.c}
515     proc_t *procs;   // a pool of processes.
516     proc_t *proc;    // pointer to one process; used as the iterator.
517
518     pool_foreach (proc, procs, ({
519         if (proc->state != PROC_STATE_RUNNING)
520             continue;
521
522         // check a running proc in some way
523         ...
524     }));
525     @endcode
526
527     @warning Because @c pool_foreach is a macro, syntax errors can be
528     difficult to find inside @c BODY, let alone actual code bugs. One
529     can temporarily split a complex @c pool_foreach into a trivial
530     @c pool_foreach which builds a vector of active indices, and a
531     vec_foreach() (or plain for-loop) to walk the active index vector.
532  */
533
534 #define pool_foreach(VAR,POOL)                                          \
535   if (POOL)                                                             \
536     for (VAR = POOL + pool_get_first_index (POOL);                      \
537          VAR < vec_end (POOL);                                          \
538          VAR = POOL + pool_get_next_index (POOL, VAR - POOL))
539
540 /** Returns pointer to element at given index.
541
542     ASSERTs that the supplied index is valid.
543     Even though one can write correct code of the form
544     @code
545         p = pool_base + index;
546     @endcode
547     use of @c pool_elt_at_index is strongly suggested.
548  */
549 #define pool_elt_at_index(p,i)                  \
550 ({                                              \
551   typeof (p) _e = (p) + (i);                    \
552   ASSERT (! pool_is_free (p, _e));              \
553   _e;                                           \
554 })
555
556 /** Return next occupied pool index after @c i, useful for safe iteration. */
557 #define pool_next_index(P,I)                                            \
558 ({                                                                      \
559   pool_header_t * _pool_var (p) = pool_header (P);                      \
560   uword _pool_var (rv) = (I) + 1;                                       \
561                                                                         \
562   _pool_var(rv) =                                                       \
563     (_pool_var (rv) < vec_len (P) ?                                     \
564      clib_bitmap_next_clear (_pool_var (p)->free_bitmap, _pool_var(rv)) \
565      : ~0);                                                             \
566   _pool_var(rv) =                                                       \
567     (_pool_var (rv) < vec_len (P) ?                                     \
568      _pool_var (rv) : ~0);                                              \
569   _pool_var(rv);                                                        \
570 })
571
572 #define pool_foreach_index(i,v)         \
573   if (v)                                        \
574     for (i = pool_get_first_index (v);          \
575          i < vec_len (v);                       \
576          i = pool_get_next_index (v, i))        \
577
578 /**
579  * @brief Remove all elements from a pool in a safe way
580  *
581  * @param VAR each element in the pool
582  * @param POOL The pool to flush
583  * @param BODY The actions to perform on each element before it is returned to
584  *        the pool. i.e. before it is 'freed'
585  */
586 #define pool_flush(VAR, POOL, BODY)                     \
587 {                                                       \
588   uword *_pool_var(ii), *_pool_var(dv) = NULL;          \
589                                                         \
590   pool_foreach((VAR), (POOL))                          \
591   {                                                     \
592     vec_add1(_pool_var(dv), (VAR) - (POOL));            \
593   }                                                     \
594   vec_foreach(_pool_var(ii), _pool_var(dv))             \
595   {                                                     \
596     (VAR) = pool_elt_at_index((POOL), *_pool_var(ii));  \
597     do { BODY; } while (0);                             \
598     pool_put((POOL), (VAR));                            \
599   }                                                     \
600   vec_free(_pool_var(dv));                              \
601 }
602
603 #endif /* included_pool_h */
604
605 /*
606  * fd.io coding-style-patch-verification: ON
607  *
608  * Local Variables:
609  * eval: (c-set-style "gnu")
610  * End:
611  */