git.ozlabs.org Git - ccan/blob - ccan/alloc/alloc.c

   1 #include <unistd.h>
   2 #include <stdint.h>
   3 #include <string.h>
   4 #include <limits.h>
   5 #include <assert.h>
   6 #include <stdlib.h>
   7 #include "alloc.h"
   8 #include "build_assert/build_assert.h"
   9 #include "alignof/alignof.h"
  10 #include "config.h"
  11
  12 /* FIXME: We assume getpagesize() doesnt change.  Remapping file with
  13  * different pagesize should still work. */
  14
  15 /* FIXME: Doesn't handle non-page-aligned poolsize. */
  16
  17 /* FIXME: Reduce. */
  18 #define MIN_SIZE (getpagesize() * 2)
  19
  20 /* What's the granularity of sub-page allocs? */
  21 #define BITMAP_GRANULARITY 4
  22
  23 /* File layout:
  24  *
  25  *  file := pagestates pad uniform-cache metadata
  26  *  pagestates := pages * 2-bits-per-page
  27  *  pad := pad to next ALIGNOF(metaheader)
  28  *
  29  *  metadata := metalen next-ptr metabits
  30  *  metabits := freeblock | bitblock | uniformblock
  31  *  freeblock := FREE +
  32  *  bitblock := BITMAP + 2-bits-per-bit-in-page + pad-to-byte
  33  *  uniformblock := UNIFORM + 14-bit-byte-len + bits + pad-to-byte
  34  */
  35 #define UNIFORM_CACHE_NUM 16
  36 struct uniform_cache
  37 {
  38         uint16_t size[UNIFORM_CACHE_NUM];
  39         /* These could be u32 if we're prepared to limit size. */
  40         unsigned long page[UNIFORM_CACHE_NUM];
  41 };
  42
  43 struct metaheader
  44 {
  45         /* Next meta header, or 0 */
  46         unsigned long next;
  47         /* Bits start here. */
  48 };
  49
  50 /* Assumes a is a power of two. */
  51 static unsigned long align_up(unsigned long x, unsigned long a)
  52 {
  53         return (x + a - 1) & ~(a - 1);
  54 }
  55
  56 static unsigned long align_down(unsigned long x, unsigned long a)
  57 {
  58         return x & ~(a - 1);
  59 }
  60
  61 static unsigned long div_up(unsigned long x, unsigned long a)
  62 {
  63         return (x + a - 1) / a;
  64 }
  65
  66 /* It turns out that we spend a lot of time dealing with bit pairs.
  67  * These routines manipulate them.
  68  */
  69 static uint8_t get_bit_pair(const uint8_t *bits, unsigned long index)
  70 {
  71         return bits[index * 2 / CHAR_BIT] >> (index * 2 % CHAR_BIT) & 3;
  72 }
  73
  74 static void set_bit_pair(uint8_t *bits, unsigned long index, uint8_t val)
  75 {
  76         bits[index * 2 / CHAR_BIT] &= ~(3 << (index * 2 % CHAR_BIT));
  77         bits[index * 2 / CHAR_BIT] |= (val << (index * 2 % CHAR_BIT));
  78 }
  79
  80 /* This is used for page states and subpage allocations */
  81 enum alloc_state
  82 {
  83         FREE,
  84         TAKEN,
  85         TAKEN_START,
  86         SPECIAL,        /* Sub-page allocation for page states. */
  87 };
  88
  89 /* The types for subpage metadata. */
  90 enum sub_metadata_type
  91 {
  92         /* FREE is same as alloc state */
  93         BITMAP = 1, /* bitmap allocated page */
  94         UNIFORM, /* uniform size allocated page */
  95 };
  96
  97 /* Page states are represented by bitpairs, at the start of the pool. */
  98 #define BITS_PER_PAGE 2
  99
 100 /* How much metadata info per byte? */
 101 #define METADATA_PER_BYTE (CHAR_BIT / 2)
 102
 103 static uint8_t *get_page_statebits(const void *pool)
 104 {
 105         return (uint8_t *)pool + sizeof(struct uniform_cache);
 106 }
 107
 108 static enum alloc_state get_page_state(const void *pool, unsigned long page)
 109 {
 110         return get_bit_pair(get_page_statebits(pool), page);
 111 }
 112
 113 static void set_page_state(void *pool, unsigned long page, enum alloc_state s)
 114 {
 115         set_bit_pair(get_page_statebits(pool), page, s);
 116 }
 117
 118 /* The offset of metadata for a subpage allocation is found at the end
 119  * of the subpage */
 120 #define SUBPAGE_METAOFF (getpagesize() - sizeof(unsigned long))
 121
 122 /* This is the length of metadata in bits.  It consists of two bits
 123  * for every BITMAP_GRANULARITY of usable bytes in the page, then two
 124  * bits for the tailer.. */
 125 #define BITMAP_METABITLEN                                               \
 126     ((div_up(SUBPAGE_METAOFF, BITMAP_GRANULARITY) + 1) * BITS_PER_PAGE)
 127
 128 /* This is the length in bytes. */
 129 #define BITMAP_METALEN (div_up(BITMAP_METABITLEN, CHAR_BIT))
 130
 131 static struct metaheader *first_mheader(void *pool, unsigned long poolsize)
 132 {
 133         unsigned int pagestatelen;
 134
 135         pagestatelen = align_up(div_up(poolsize/getpagesize() * BITS_PER_PAGE,
 136                                        CHAR_BIT),
 137                                 ALIGNOF(struct metaheader));
 138         return (struct metaheader *)(get_page_statebits(pool) + pagestatelen);
 139 }
 140
 141 static struct metaheader *next_mheader(void *pool, struct metaheader *mh)
 142 {
 143         if (!mh->next)
 144                 return NULL;
 145
 146         return (struct metaheader *)((char *)pool + mh->next);
 147 }
 148
 149 static unsigned long pool_offset(void *pool, void *p)
 150 {
 151         return (char *)p - (char *)pool;
 152 }
 153
 154 void alloc_init(void *pool, unsigned long poolsize)
 155 {
 156         /* FIXME: Alignment assumptions about pool. */
 157         unsigned long len, i;
 158         struct metaheader *mh;
 159
 160         if (poolsize < MIN_SIZE)
 161                 return;
 162
 163         mh = first_mheader(pool, poolsize);
 164
 165         /* Mark all page states FREE, all uniform caches zero, and all of
 166          * metaheader bitmap which takes rest of first page. */
 167         len = align_up(pool_offset(pool, mh + 1), getpagesize());
 168         BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 169         memset(pool, 0, len);
 170
 171         /* Mark the pagestate and metadata page(s) allocated. */
 172         set_page_state(pool, 0, TAKEN_START);
 173         for (i = 1; i < div_up(len, getpagesize()); i++)
 174                 set_page_state(pool, i, TAKEN);
 175 }
 176
 177 /* Two bits per element, representing page states.  Returns 0 on fail.
 178  * off is used to allocate from subpage bitmaps, which use the first 2
 179  * bits as the type, so the real bitmap is offset by 1. */
 180 static unsigned long alloc_from_bitmap(uint8_t *bits, unsigned long off,
 181                                        unsigned long elems,
 182                                        unsigned long want, unsigned long align)
 183 {
 184         long i;
 185         unsigned long free;
 186
 187         free = 0;
 188         /* We allocate from far end, to increase ability to expand metadata. */
 189         for (i = elems - 1; i >= 0; i--) {
 190                 switch (get_bit_pair(bits, off+i)) {
 191                 case FREE:
 192                         if (++free >= want) {
 193                                 unsigned long j;
 194
 195                                 /* They might ask for large alignment. */
 196                                 if (align && i % align)
 197                                         continue;
 198
 199                                 set_bit_pair(bits, off+i, TAKEN_START);
 200                                 for (j = i+1; j < i + want; j++)
 201                                         set_bit_pair(bits, off+j, TAKEN);
 202                                 return off+i;
 203                         }
 204                         break;
 205                 case SPECIAL:
 206                 case TAKEN_START:
 207                 case TAKEN:
 208                         free = 0;
 209                         break;
 210                 }
 211         }
 212
 213         return 0;
 214 }
 215
 216 static unsigned long alloc_get_pages(void *pool, unsigned long poolsize,
 217                                      unsigned long pages, unsigned long align)
 218 {
 219         return alloc_from_bitmap(get_page_statebits(pool),
 220                                  0, poolsize / getpagesize(), pages,
 221                                  align / getpagesize());
 222 }
 223
 224 /* Offset to metadata is at end of page. */
 225 static unsigned long *metadata_off(void *pool, unsigned long page)
 226 {
 227         return (unsigned long *)
 228                 ((char *)pool + (page+1)*getpagesize() - sizeof(unsigned long));
 229 }
 230
 231 static uint8_t *get_page_metadata(void *pool, unsigned long page)
 232 {
 233         return (uint8_t *)pool + *metadata_off(pool, page);
 234 }
 235
 236 static void set_page_metadata(void *pool, unsigned long page, uint8_t *meta)
 237 {
 238         *metadata_off(pool, page) = meta - (uint8_t *)pool;
 239 }
 240
 241 static unsigned long sub_page_alloc(void *pool, unsigned long page,
 242                                     unsigned long size, unsigned long align)
 243 {
 244         uint8_t *bits = get_page_metadata(pool, page);
 245         unsigned long i;
 246         enum sub_metadata_type type;
 247
 248         type = get_bit_pair(bits, 0);
 249
 250         /* If this is a uniform page, we can't allocate from it. */
 251         if (type == UNIFORM)
 252                 return 0;
 253
 254         assert(type == BITMAP);
 255
 256         /* We use a standart bitmap, but offset because of that BITMAP
 257          * header. */
 258         i = alloc_from_bitmap(bits, 1, SUBPAGE_METAOFF/BITMAP_GRANULARITY,
 259                               div_up(size, BITMAP_GRANULARITY),
 260                               align / BITMAP_GRANULARITY);
 261
 262         /* Can't allocate? */
 263         if (i == 0)
 264                 return 0;
 265
 266         /* i-1 because of the header. */
 267         return page*getpagesize() + (i-1)*BITMAP_GRANULARITY;
 268 }
 269
 270 /* We look at the page states to figure out where the allocation for this
 271  * metadata ends. */
 272 static unsigned long get_metalen(void *pool, unsigned long poolsize,
 273                                  struct metaheader *mh)
 274 {
 275         unsigned long i, first, pages = poolsize / getpagesize();
 276
 277         first = pool_offset(pool, mh + 1)/getpagesize();
 278
 279         for (i = first + 1; i < pages && get_page_state(pool,i) == TAKEN; i++);
 280
 281         return i * getpagesize() - pool_offset(pool, mh + 1);
 282 }
 283
 284 static unsigned int uniform_metalen(unsigned int usize)
 285 {
 286         unsigned int metalen;
 287
 288         assert(usize < (1 << 14));
 289
 290         /* Two bits for the header, 14 bits for size, then one bit for each
 291          * element the page can hold.  Round up to number of bytes. */
 292         metalen = div_up(2 + 14 + SUBPAGE_METAOFF / usize, CHAR_BIT);
 293
 294         /* To ensure metaheader is always aligned, round bytes up. */
 295         metalen = align_up(metalen, ALIGNOF(struct metaheader));
 296
 297         return metalen;
 298 }
 299
 300 static unsigned int decode_usize(uint8_t *meta)
 301 {
 302         return ((unsigned)meta[1] << (CHAR_BIT-2)) | (meta[0] >> 2);
 303 }
 304
 305 static void encode_usize(uint8_t *meta, unsigned int usize)
 306 {
 307         meta[0] = (UNIFORM | (usize << 2));
 308         meta[1] = (usize >> (CHAR_BIT - 2));
 309 }
 310
 311 static uint8_t *alloc_metaspace(void *pool, unsigned long poolsize,
 312                                 struct metaheader *mh, unsigned long bytes,
 313                                 enum sub_metadata_type type)
 314 {
 315         uint8_t *meta = (uint8_t *)(mh + 1);
 316         unsigned long free = 0, len, i, metalen;
 317
 318         metalen = get_metalen(pool, poolsize, mh);
 319
 320         /* Walk through metadata looking for free. */
 321         for (i = 0; i < metalen * METADATA_PER_BYTE; i += len) {
 322                 switch (get_bit_pair(meta, i)) {
 323                 case FREE:
 324                         len = 1;
 325                         free++;
 326                         if (free == bytes * METADATA_PER_BYTE) {
 327                                 /* Mark this as a bitmap. */
 328                                 set_bit_pair(meta, i - free + 1, type);
 329                                 return meta + (i - free + 1)/METADATA_PER_BYTE;
 330                         }
 331                         break;
 332                 case BITMAP:
 333                         /* Skip over this allocated part. */
 334                         len = BITMAP_METALEN * METADATA_PER_BYTE;
 335                         free = 0;
 336                         break;
 337                 case UNIFORM:
 338                         /* Figure metalen given usize. */
 339                         len = decode_usize(meta + i / METADATA_PER_BYTE);
 340                         len = uniform_metalen(len) * METADATA_PER_BYTE;
 341                         free = 0;
 342                         break;
 343                 default:
 344                         assert(0);
 345                         return NULL;
 346                 }
 347         }
 348         return NULL;
 349 }
 350
 351 /* We need this many bytes of metadata. */
 352 static uint8_t *new_metadata(void *pool, unsigned long poolsize,
 353                              unsigned long bytes, enum sub_metadata_type type)
 354 {
 355         struct metaheader *mh, *newmh;
 356         unsigned long page;
 357         uint8_t *meta;
 358
 359         for (mh = first_mheader(pool,poolsize); mh; mh = next_mheader(pool,mh))
 360                 if ((meta = alloc_metaspace(pool, poolsize, mh, bytes, type)))
 361                         return meta;
 362
 363         /* No room for metadata?  Can we expand an existing one? */
 364         for (mh = first_mheader(pool,poolsize); mh; mh = next_mheader(pool,mh)){
 365                 unsigned long nextpage;
 366
 367                 /* We start on this page. */
 368                 nextpage = pool_offset(pool, (char *)(mh+1))/getpagesize();
 369                 /* Iterate through any other pages we own. */
 370                 while (get_page_state(pool, ++nextpage) == TAKEN);
 371
 372                 /* Now, can we grab that page? */
 373                 if (get_page_state(pool, nextpage) != FREE)
 374                         continue;
 375
 376                 /* OK, expand metadata, do it again. */
 377                 set_page_state(pool, nextpage, TAKEN);
 378                 BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 379                 memset((char *)pool + nextpage*getpagesize(), 0, getpagesize());
 380                 return alloc_metaspace(pool, poolsize, mh, bytes, type);
 381         }
 382
 383         /* No metadata left at all? */
 384         page = alloc_get_pages(pool, poolsize, div_up(bytes, getpagesize()), 1);
 385         if (!page)
 386                 return NULL;
 387
 388         newmh = (struct metaheader *)((char *)pool + page * getpagesize());
 389         BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 390         memset(newmh + 1, 0, getpagesize() - sizeof(*mh));
 391
 392         /* Sew it into linked list */
 393         mh = first_mheader(pool,poolsize);
 394         newmh->next = mh->next;
 395         mh->next = pool_offset(pool, newmh);
 396
 397         return alloc_metaspace(pool, poolsize, newmh, bytes, type);
 398 }
 399
 400 static void alloc_free_pages(void *pool, unsigned long pagenum)
 401 {
 402         assert(get_page_state(pool, pagenum) == TAKEN_START);
 403         set_page_state(pool, pagenum, FREE);
 404         while (get_page_state(pool, ++pagenum) == TAKEN)
 405                 set_page_state(pool, pagenum, FREE);
 406 }
 407
 408 static void maybe_transform_uniform_page(void *pool, unsigned long offset)
 409 {
 410         /* FIXME: If possible and page isn't full, change to a bitmap */
 411 }
 412
 413 /* Returns 0 or the size of the uniform alloc to use */
 414 static unsigned long suitable_for_uc(unsigned long size, unsigned long align)
 415 {
 416         unsigned long num_elems, wastage, usize;
 417         unsigned long bitmap_cost;
 418
 419         if (size == 0)
 420                 size = 1;
 421
 422         /* Fix up silly alignments. */
 423         usize = align_up(size, align);
 424
 425         /* How many can fit in this page? */
 426         num_elems = SUBPAGE_METAOFF / usize;
 427
 428         /* Can happen with bigger alignments. */
 429         if (!num_elems)
 430                 return 0;
 431
 432         /* Usize maxes out at 14 bits. */
 433         if (usize >= (1 << 14))
 434                 return 0;
 435
 436         /* How many bytes would be left at the end? */
 437         wastage = SUBPAGE_METAOFF % usize;
 438
 439         /* If we can get a larger allocation within alignment constraints, we
 440          * should do it, otherwise might as well leave wastage at the end. */
 441         usize += align_down(wastage / num_elems, align);
 442
 443         /* Bitmap allocation costs 2 bits per BITMAP_GRANULARITY bytes, plus
 444          * however much we waste in rounding up to BITMAP_GRANULARITY. */
 445         bitmap_cost = 2 * div_up(size, BITMAP_GRANULARITY)
 446                 + CHAR_BIT * (align_up(size, BITMAP_GRANULARITY) - size);
 447
 448         /* Our cost is 1 bit, plus usize overhead */
 449         if (bitmap_cost < 1 + (usize - size) * CHAR_BIT)
 450                 return 0;
 451
 452         return usize;
 453 }
 454
 455 static unsigned long uniform_alloc(void *pool, unsigned long poolsize,
 456                                    struct uniform_cache *uc,
 457                                    unsigned long ucnum)
 458 {
 459         uint8_t *metadata = get_page_metadata(pool, uc->page[ucnum]) + 2;
 460         unsigned long i, max;
 461
 462         /* Simple one-bit-per-object bitmap. */
 463         max = SUBPAGE_METAOFF / uc->size[ucnum];
 464         for (i = 0; i < max; i++) {
 465                 if (!(metadata[i / CHAR_BIT] & (1 << (i % CHAR_BIT)))) {
 466                         metadata[i / CHAR_BIT] |= (1 << (i % CHAR_BIT));
 467                         return uc->page[ucnum] * getpagesize()
 468                                 + i * uc->size[ucnum];
 469                 }
 470         }
 471
 472         return 0;
 473 }
 474
 475 static unsigned long new_uniform_page(void *pool, unsigned long poolsize,
 476                                       unsigned long usize)
 477 {
 478         unsigned long page, metalen;
 479         uint8_t *metadata;
 480
 481         page = alloc_get_pages(pool, poolsize, 1, 1);
 482         if (page == 0)
 483                 return 0;
 484
 485         metalen = uniform_metalen(usize);
 486
 487         /* Get metadata for page. */
 488         metadata = new_metadata(pool, poolsize, metalen, UNIFORM);
 489         if (!metadata) {
 490                 alloc_free_pages(pool, page);
 491                 return 0;
 492         }
 493
 494         encode_usize(metadata, usize);
 495
 496         BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 497         memset(metadata + 2, 0, metalen - 2);
 498
 499         /* Actually, this is a subpage page now. */
 500         set_page_state(pool, page, SPECIAL);
 501
 502         /* Set metadata pointer for page. */
 503         set_page_metadata(pool, page, metadata);
 504
 505         return page;
 506 }
 507
 508 static unsigned long alloc_sub_page(void *pool, unsigned long poolsize,
 509                                     unsigned long size, unsigned long align)
 510 {
 511         unsigned long i, usize;
 512         uint8_t *metadata;
 513         struct uniform_cache *uc = pool;
 514
 515         usize = suitable_for_uc(size, align);
 516         if (usize) {
 517                 /* Look for a uniform page. */
 518                 for (i = 0; i < UNIFORM_CACHE_NUM; i++) {
 519                         if (uc->size[i] == usize) {
 520                                 unsigned long ret;
 521                                 ret = uniform_alloc(pool, poolsize, uc, i);
 522                                 if (ret != 0)
 523                                         return ret;
 524                                 /* OK, that one is full, remove from cache. */
 525                                 uc->size[i] = 0;
 526                                 break;
 527                         }
 528                 }
 529
 530                 /* OK, try a new uniform page.  Use random discard for now. */
 531                 i = random() % UNIFORM_CACHE_NUM;
 532                 maybe_transform_uniform_page(pool, uc->page[i]);
 533
 534                 uc->page[i] = new_uniform_page(pool, poolsize, usize);
 535                 if (uc->page[i]) {
 536                         uc->size[i] = usize;
 537                         return uniform_alloc(pool, poolsize, uc, i);
 538                 }
 539                 uc->size[i] = 0;
 540         }
 541
 542         /* Look for partial page. */
 543         for (i = 0; i < poolsize / getpagesize(); i++) {
 544                 unsigned long ret;
 545                 if (get_page_state(pool, i) != SPECIAL)
 546                         continue;
 547
 548                 ret = sub_page_alloc(pool, i, size, align);
 549                 if (ret)
 550                         return ret;
 551         }
 552
 553         /* Create new SUBPAGE page. */
 554         i = alloc_get_pages(pool, poolsize, 1, 1);
 555         if (i == 0)
 556                 return 0;
 557
 558         /* Get metadata for page. */
 559         metadata = new_metadata(pool, poolsize, BITMAP_METALEN, BITMAP);
 560         if (!metadata) {
 561                 alloc_free_pages(pool, i);
 562                 return 0;
 563         }
 564
 565         /* Actually, this is a subpage page now. */
 566         set_page_state(pool, i, SPECIAL);
 567
 568         /* Set metadata pointer for page. */
 569         set_page_metadata(pool, i, metadata);
 570
 571         /* Do allocation like normal */
 572         return sub_page_alloc(pool, i, size, align);
 573 }
 574
 575 static bool bitmap_page_is_empty(uint8_t *meta)
 576 {
 577         unsigned int i;
 578
 579         /* Skip the header (first bit of metadata). */
 580         for (i = 1; i < SUBPAGE_METAOFF/BITMAP_GRANULARITY+1; i++)
 581                 if (get_bit_pair(meta, i) != FREE)
 582                         return false;
 583
 584         return true;
 585 }
 586
 587 static bool uniform_page_is_empty(uint8_t *meta)
 588 {
 589         unsigned int i, metalen;
 590
 591         metalen = uniform_metalen(decode_usize(meta));
 592
 593         /* Skip the header (first two bytes of metadata). */
 594         for (i = 2; i < metalen + 2; i++) {
 595                 BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 596                 if (meta[i])
 597                         return false;
 598         }
 599         return true;
 600 }
 601
 602 static bool special_page_is_empty(void *pool, unsigned long page)
 603 {
 604         uint8_t *meta;
 605         enum sub_metadata_type type;
 606
 607         meta = get_page_metadata(pool, page);
 608         type = get_bit_pair(meta, 0);
 609
 610         switch (type) {
 611         case UNIFORM:
 612                 return uniform_page_is_empty(meta);
 613         case BITMAP:
 614                 return bitmap_page_is_empty(meta);
 615         default:
 616                 assert(0);
 617         }
 618 }
 619
 620 static void clear_special_metadata(void *pool, unsigned long page)
 621 {
 622         uint8_t *meta;
 623         enum sub_metadata_type type;
 624
 625         meta = get_page_metadata(pool, page);
 626         type = get_bit_pair(meta, 0);
 627
 628         switch (type) {
 629         case UNIFORM:
 630                 /* First two bytes are the header, rest is already FREE */
 631                 BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 632                 memset(meta, 0, 2);
 633                 break;
 634         case BITMAP:
 635                 /* First two bits is the header. */
 636                 BUILD_ASSERT(BITMAP_METALEN > 1);
 637                 meta[0] = 0;
 638                 break;
 639         default:
 640                 assert(0);
 641         }
 642 }
 643
 644 /* Returns true if we cleaned any pages. */
 645 static bool clean_empty_subpages(void *pool, unsigned long poolsize)
 646 {
 647         unsigned long i;
 648         bool progress = false;
 649
 650         for (i = 0; i < poolsize/getpagesize(); i++) {
 651                 if (get_page_state(pool, i) != SPECIAL)
 652                         continue;
 653
 654                 if (special_page_is_empty(pool, i)) {
 655                         clear_special_metadata(pool, i);
 656                         set_page_state(pool, i, FREE);
 657                         progress = true;
 658                 }
 659         }
 660         return progress;
 661 }
 662
 663 /* Returns true if we cleaned any pages. */
 664 static bool clean_metadata(void *pool, unsigned long poolsize)
 665 {
 666         struct metaheader *mh, *prev_mh = NULL;
 667         bool progress = false;
 668
 669         for (mh = first_mheader(pool,poolsize); mh; mh = next_mheader(pool,mh)){
 670                 uint8_t *meta;
 671                 long i;
 672                 unsigned long metalen = get_metalen(pool, poolsize, mh);
 673
 674                 meta = (uint8_t *)(mh + 1);
 675                 BUILD_ASSERT(FREE == 0);
 676                 for (i = metalen - 1; i > 0; i--)
 677                         if (meta[i] != 0)
 678                                 break;
 679
 680                 /* Completely empty? */
 681                 if (prev_mh && i == metalen) {
 682                         alloc_free_pages(pool,
 683                                          pool_offset(pool, mh)/getpagesize());
 684                         prev_mh->next = mh->next;
 685                         mh = prev_mh;
 686                         progress = true;
 687                 } else {
 688                         uint8_t *p;
 689
 690                         /* Some pages at end are free? */
 691                         for (p = (uint8_t *)(mh+1) + metalen - getpagesize();
 692                              p > meta + i;
 693                              p -= getpagesize()) {
 694                                 set_page_state(pool,
 695                                                pool_offset(pool, p)
 696                                                / getpagesize(),
 697                                                FREE);
 698                                 progress = true;
 699                         }
 700                 }
 701         }
 702
 703         return progress;
 704 }
 705
 706 void *alloc_get(void *pool, unsigned long poolsize,
 707                 unsigned long size, unsigned long align)
 708 {
 709         bool subpage_clean = false, metadata_clean = false;
 710         unsigned long ret;
 711
 712         if (poolsize < MIN_SIZE)
 713                 return NULL;
 714
 715 again:
 716         /* Sub-page allocations have an overhead of ~12%. */
 717         if (size + size/8 >= getpagesize() || align >= getpagesize()) {
 718                 unsigned long pages = div_up(size, getpagesize());
 719
 720                 ret = alloc_get_pages(pool, poolsize, pages, align)
 721                         * getpagesize();
 722         } else
 723                 ret = alloc_sub_page(pool, poolsize, size, align);
 724
 725         if (ret != 0)
 726                 return (char *)pool + ret;
 727
 728         /* Allocation failed: garbage collection. */
 729         if (!subpage_clean) {
 730                 subpage_clean = true;
 731                 if (clean_empty_subpages(pool, poolsize))
 732                         goto again;
 733         }
 734
 735         if (!metadata_clean) {
 736                 metadata_clean = true;
 737                 if (clean_metadata(pool, poolsize))
 738                         goto again;
 739         }
 740
 741         /* FIXME: Compact metadata? */
 742         return NULL;
 743 }
 744
 745 static void bitmap_free(void *pool, unsigned long pagenum, unsigned long off,
 746                         uint8_t *metadata)
 747 {
 748         assert(off % BITMAP_GRANULARITY == 0);
 749
 750         off /= BITMAP_GRANULARITY;
 751
 752         /* Offset by one because first bit is used for header. */
 753         off++;
 754
 755         set_bit_pair(metadata, off++, FREE);
 756         while (off < SUBPAGE_METAOFF / BITMAP_GRANULARITY
 757                && get_bit_pair(metadata, off) == TAKEN)
 758                 set_bit_pair(metadata, off++, FREE);
 759 }
 760
 761 static void uniform_free(void *pool, unsigned long pagenum, unsigned long off,
 762                          uint8_t *metadata)
 763 {
 764         unsigned int usize, bit;
 765
 766         usize = decode_usize(metadata);
 767         /* Must have been this size. */
 768         assert(off % usize == 0);
 769         bit = off / usize;
 770
 771         /* Skip header. */
 772         metadata += 2;
 773
 774         /* Must have been allocated. */
 775         assert(metadata[bit / CHAR_BIT] & (1 << (bit % CHAR_BIT)));
 776         metadata[bit / CHAR_BIT] &= ~(1 << (bit % CHAR_BIT));
 777 }
 778
 779 static void subpage_free(void *pool, unsigned long pagenum, void *free)
 780 {
 781         unsigned long off = (unsigned long)free % getpagesize();
 782         uint8_t *metadata = get_page_metadata(pool, pagenum);
 783         enum sub_metadata_type type;
 784
 785         type = get_bit_pair(metadata, 0);
 786
 787         assert(off < SUBPAGE_METAOFF);
 788
 789         switch (type) {
 790         case BITMAP:
 791                 bitmap_free(pool, pagenum, off, metadata);
 792                 break;
 793         case UNIFORM:
 794                 uniform_free(pool, pagenum, off, metadata);
 795                 break;
 796         default:
 797                 assert(0);
 798         }
 799 }
 800
 801 void alloc_free(void *pool, unsigned long poolsize, void *free)
 802 {
 803         unsigned long pagenum;
 804         struct metaheader *mh;
 805
 806         if (!free)
 807                 return;
 808
 809         assert(poolsize >= MIN_SIZE);
 810
 811         mh = first_mheader(pool, poolsize);
 812         assert((char *)free >= (char *)(mh + 1));
 813         assert((char *)pool + poolsize > (char *)free);
 814
 815         pagenum = pool_offset(pool, free) / getpagesize();
 816
 817         if (get_page_state(pool, pagenum) == SPECIAL)
 818                 subpage_free(pool, pagenum, free);
 819         else {
 820                 assert((unsigned long)free % getpagesize() == 0);
 821                 alloc_free_pages(pool, pagenum);
 822         }
 823 }
 824
 825 unsigned long alloc_size(void *pool, unsigned long poolsize, void *p)
 826 {
 827         unsigned long len, pagenum;
 828         struct metaheader *mh;
 829
 830         assert(poolsize >= MIN_SIZE);
 831
 832         mh = first_mheader(pool, poolsize);
 833         assert((char *)p >= (char *)(mh + 1));
 834         assert((char *)pool + poolsize > (char *)p);
 835
 836         pagenum = pool_offset(pool, p) / getpagesize();
 837
 838         if (get_page_state(pool, pagenum) == SPECIAL) {
 839                 unsigned long off = (unsigned long)p % getpagesize();
 840                 uint8_t *metadata = get_page_metadata(pool, pagenum);
 841                 enum sub_metadata_type type = get_bit_pair(metadata, 0);
 842
 843                 assert(off < SUBPAGE_METAOFF);
 844
 845                 switch (type) {
 846                 case BITMAP:
 847                         assert(off % BITMAP_GRANULARITY == 0);
 848                         off /= BITMAP_GRANULARITY;
 849
 850                         /* Offset by one because first bit used for header. */
 851                         off++;
 852                         len = BITMAP_GRANULARITY;
 853                         while (++off < SUBPAGE_METAOFF / BITMAP_GRANULARITY
 854                                && get_bit_pair(metadata, off) == TAKEN)
 855                                 len += BITMAP_GRANULARITY;
 856                         break;
 857                 case UNIFORM:
 858                         len = decode_usize(metadata);
 859                         break;
 860                 default:
 861                         assert(0);
 862                 }
 863         } else {
 864                 len = getpagesize();
 865                 while (get_page_state(pool, ++pagenum) == TAKEN)
 866                         len += getpagesize();
 867         }
 868
 869         return len;
 870 }
 871
 872 static bool is_metadata_page(void *pool, unsigned long poolsize,
 873                              unsigned long page)
 874 {
 875         struct metaheader *mh;
 876
 877         for (mh = first_mheader(pool,poolsize); mh; mh = next_mheader(pool,mh)){
 878                 unsigned long start, end;
 879
 880                 start = pool_offset(pool, mh);
 881                 end = pool_offset(pool, (char *)(mh+1)
 882                                   + get_metalen(pool, poolsize, mh));
 883                 if (page >= start/getpagesize() && page < end/getpagesize())
 884                         return true;
 885         }
 886         return false;
 887 }
 888
 889 static bool check_bitmap_metadata(void *pool, unsigned long *mhoff)
 890 {
 891         enum alloc_state last_state = FREE;
 892         unsigned int i;
 893
 894         for (i = 0; i < SUBPAGE_METAOFF / BITMAP_GRANULARITY; i++) {
 895                 enum alloc_state state;
 896
 897                 /* +1 because header is the first byte. */
 898                 state = get_bit_pair((uint8_t *)pool + *mhoff, i+1);
 899                 switch (state) {
 900                 case SPECIAL:
 901                         return false;
 902                 case TAKEN:
 903                         if (last_state == FREE)
 904                                 return false;
 905                         break;
 906                 default:
 907                         break;
 908                 }
 909                 last_state = state;
 910         }
 911         return true;
 912 }
 913
 914 static bool check_uniform_metadata(void *pool, unsigned long *mhoff)
 915 {
 916         uint8_t *meta = (uint8_t *)pool + *mhoff;
 917         unsigned int i, usize;
 918         struct uniform_cache *uc = pool;
 919
 920         usize = decode_usize(meta);
 921         if (usize == 0 || suitable_for_uc(usize, 1) != usize)
 922                 return false;
 923
 924         /* If it's in uniform cache, make sure that agrees on size. */
 925         for (i = 0; i < UNIFORM_CACHE_NUM; i++) {
 926                 uint8_t *ucm;
 927
 928                 if (!uc->size[i])
 929                         continue;
 930
 931                 ucm = get_page_metadata(pool, uc->page[i]);
 932                 if (ucm != meta)
 933                         continue;
 934
 935                 if (usize != uc->size[i])
 936                         return false;
 937         }
 938         return true;
 939 }
 940
 941 static bool check_subpage(void *pool, unsigned long poolsize,
 942                           unsigned long page)
 943 {
 944         unsigned long *mhoff = metadata_off(pool, page);
 945
 946         if (*mhoff + sizeof(struct metaheader) > poolsize)
 947                 return false;
 948
 949         if (*mhoff % ALIGNOF(struct metaheader) != 0)
 950                 return false;
 951
 952         /* It must point to a metadata page. */
 953         if (!is_metadata_page(pool, poolsize, *mhoff / getpagesize()))
 954                 return false;
 955
 956         /* Header at start of subpage allocation */
 957         switch (get_bit_pair((uint8_t *)pool + *mhoff, 0)) {
 958         case BITMAP:
 959                 return check_bitmap_metadata(pool, mhoff);
 960         case UNIFORM:
 961                 return check_uniform_metadata(pool, mhoff);
 962         default:
 963                 return false;
 964         }
 965
 966 }
 967
 968 bool alloc_check(void *pool, unsigned long poolsize)
 969 {
 970         unsigned long i;
 971         struct metaheader *mh;
 972         enum alloc_state last_state = FREE;
 973         bool was_metadata = false;
 974
 975         if (poolsize < MIN_SIZE)
 976                 return true;
 977
 978         if (get_page_state(pool, 0) != TAKEN_START)
 979                 return false;
 980
 981         /* First check metadata pages. */
 982         /* Metadata pages will be marked TAKEN. */
 983         for (mh = first_mheader(pool,poolsize); mh; mh = next_mheader(pool,mh)){
 984                 unsigned long start, end;
 985
 986                 start = pool_offset(pool, mh);
 987                 if (start + sizeof(*mh) > poolsize)
 988                         return false;
 989
 990                 end = pool_offset(pool, (char *)(mh+1)
 991                                   + get_metalen(pool, poolsize, mh));
 992                 if (end > poolsize)
 993                         return false;
 994
 995                 /* Non-first pages should start on a page boundary. */
 996                 if (mh != first_mheader(pool, poolsize)
 997                     && start % getpagesize() != 0)
 998                         return false;
 999
1000                 /* It should end on a page boundary. */
1001                 if (end % getpagesize() != 0)
1002                         return false;
1003         }
1004
1005         for (i = 0; i < poolsize / getpagesize(); i++) {
1006                 enum alloc_state state = get_page_state(pool, i);
1007                 bool is_metadata = is_metadata_page(pool, poolsize,i);
1008
1009                 switch (state) {
1010                 case FREE:
1011                         /* metadata pages are never free. */
1012                         if (is_metadata)
1013                                 return false;
1014                 case TAKEN_START:
1015                         break;
1016                 case TAKEN:
1017                         /* This should continue a previous block. */
1018                         if (last_state == FREE)
1019                                 return false;
1020                         if (is_metadata != was_metadata)
1021                                 return false;
1022                         break;
1023                 case SPECIAL:
1024                         /* Check metadata pointer etc. */
1025                         if (!check_subpage(pool, poolsize, i))
1026                                 return false;
1027                 }
1028                 last_state = state;
1029                 was_metadata = is_metadata;
1030         }
1031         return true;
1032 }
1033
1034 void alloc_visualize(FILE *out, void *pool, unsigned long poolsize)
1035 {
1036         struct metaheader *mh;
1037         struct uniform_cache *uc = pool;
1038         unsigned long pagebitlen, metadata_pages, count[1<<BITS_PER_PAGE], tot;
1039         long i;
1040
1041         if (poolsize < MIN_SIZE) {
1042                 fprintf(out, "Pool smaller than %u: no content\n", MIN_SIZE);
1043                 return;
1044         }
1045
1046         tot = 0;
1047         for (i = 0; i < UNIFORM_CACHE_NUM; i++)
1048                 tot += (uc->size[i] != 0);
1049         fprintf(out, "Uniform cache (%lu entries):\n", tot);
1050         for (i = 0; i < UNIFORM_CACHE_NUM; i++) {
1051                 unsigned int j, total = 0;
1052                 uint8_t *meta;
1053
1054                 if (!uc->size[i])
1055                         continue;
1056
1057                 /* First two bytes are header. */
1058                 meta = get_page_metadata(pool, uc->page[i]) + 2;
1059
1060                 for (j = 0; j < SUBPAGE_METAOFF / uc->size[i]; j++)
1061                         if (meta[j / 8] & (1 << (j % 8)))
1062                                 total++;
1063
1064                 printf("  %u: %u/%u (%u%% density)\n",
1065                        uc->size[j], total, SUBPAGE_METAOFF / uc->size[i],
1066                        (total * 100) / (SUBPAGE_METAOFF / uc->size[i]));
1067         }
1068
1069         memset(count, 0, sizeof(count));
1070         for (i = 0; i < poolsize / getpagesize(); i++)
1071                 count[get_page_state(pool, i)]++;
1072
1073         mh = first_mheader(pool, poolsize);
1074         pagebitlen = (uint8_t *)mh - get_page_statebits(pool);
1075         fprintf(out, "%lu bytes of page bits: FREE/TAKEN/TAKEN_START/SUBPAGE = %lu/%lu/%lu/%lu\n",
1076                 pagebitlen, count[0], count[1], count[2], count[3]);
1077
1078         /* One metadata page for every page of page bits. */
1079         metadata_pages = div_up(pagebitlen, getpagesize());
1080
1081         /* Now do each metadata page. */
1082         for (; mh; mh = next_mheader(pool,mh)) {
1083                 unsigned long free = 0, bitmapblocks = 0, uniformblocks = 0,
1084                         len = 0, uniformlen = 0, bitmaplen = 0, metalen;
1085                 uint8_t *meta = (uint8_t *)(mh + 1);
1086
1087                 metalen = get_metalen(pool, poolsize, mh);
1088                 metadata_pages += (sizeof(*mh) + metalen) / getpagesize();
1089
1090                 for (i = 0; i < metalen * METADATA_PER_BYTE; i += len) {
1091                         switch (get_bit_pair(meta, i)) {
1092                         case FREE:
1093                                 len = 1;
1094                                 free++;
1095                                 break;
1096                         case BITMAP:
1097                                 /* Skip over this allocated part. */
1098                                 len = BITMAP_METALEN * CHAR_BIT;
1099                                 bitmapblocks++;
1100                                 bitmaplen += len;
1101                                 break;
1102                         case UNIFORM:
1103                                 /* Skip over this part. */
1104                                 len = decode_usize(meta + i/METADATA_PER_BYTE);
1105                                 len = uniform_metalen(len) * METADATA_PER_BYTE;
1106                                 uniformblocks++;
1107                                 uniformlen += len;
1108                                 break;
1109                         default:
1110                                 assert(0);
1111                         }
1112                 }
1113
1114                 fprintf(out, "Metadata %lu-%lu: %lu free, %lu bitmapblocks, %lu uniformblocks, %lu%% density\n",
1115                         pool_offset(pool, mh),
1116                         pool_offset(pool, (char *)(mh+1) + metalen),
1117                         free, bitmapblocks, uniformblocks,
1118                         (bitmaplen + uniformlen) * 100
1119                         / (free + bitmaplen + uniformlen));
1120         }
1121
1122         /* Account for total pages allocated. */
1123         tot = (count[1] + count[2] - metadata_pages) * getpagesize();
1124
1125         fprintf(out, "Total metadata bytes = %lu\n",
1126                 metadata_pages * getpagesize());
1127
1128         /* Now do every subpage. */
1129         for (i = 0; i < poolsize / getpagesize(); i++) {
1130                 uint8_t *meta;
1131                 unsigned int j, allocated;
1132                 enum sub_metadata_type type;
1133
1134                 if (get_page_state(pool, i) != SPECIAL)
1135                         continue;
1136
1137                 memset(count, 0, sizeof(count));
1138
1139                 meta = get_page_metadata(pool, i);
1140                 type = get_bit_pair(meta, 0);
1141
1142                 if (type == BITMAP) {
1143                         for (j = 0; j < SUBPAGE_METAOFF/BITMAP_GRANULARITY; j++)
1144                                 count[get_page_state(meta, j)]++;
1145                         allocated = (count[1] + count[2]) * BITMAP_GRANULARITY;
1146                         fprintf(out, "Subpage bitmap ");
1147                 } else {
1148                         unsigned int usize = decode_usize(meta);
1149
1150                         assert(type == UNIFORM);
1151                         fprintf(out, "Subpage uniform (%u) ", usize);
1152                         meta += 2;
1153                         for (j = 0; j < SUBPAGE_METAOFF / usize; j++)
1154                                 count[!!(meta[j / 8] & (1 << (j % 8)))]++;
1155                         allocated = count[1] * usize;
1156                 }
1157                 fprintf(out, "%lu: FREE/TAKEN/TAKEN_START = %lu/%lu/%lu %u%% density\n",
1158                         i, count[0], count[1], count[2],
1159                         allocated * 100 / getpagesize());
1160                 tot += allocated;
1161         }
1162
1163         /* This is optimistic, since we overalloc in several cases. */
1164         fprintf(out, "Best possible allocation density = %lu%%\n",
1165                 tot * 100 / poolsize);
1166 }