// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * Copyright 2023 Red Hat
 */

#include <linux/delay.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched/mm.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>

#include "logger.h"
#include "memory-alloc.h"
#include "permassert.h"

/*
 * UDS and VDO keep track of which threads are allowed to allocate memory freely, and which threads
 * must be careful to not do a memory allocation that does an I/O request. The 'allocating_threads'
 * thread_registry and its associated methods implement this tracking.
 */
static struct thread_registry allocating_threads;

static inline bool allocations_allowed(void)
{
 return vdo_lookup_thread(&allocating_threads) != NULL;
}

/*
 * Register the current thread as an allocating thread.
 *
 * An optional flag location can be supplied indicating whether, at any given point in time, the
 * threads associated with that flag should be allocating storage. If the flag is false, a message
 * will be logged.
 *
 * If no flag is supplied, the thread is always allowed to allocate storage without complaint.
 *
 * @new_thread: registered_thread structure to use for the current thread
 * @flag_ptr: Location of the allocation-allowed flag
 */
void vdo_register_allocating_thread(struct registered_thread *new_thread,
        const bool *flag_ptr)
{
 if (flag_ptr == NULL) {
  static const bool allocation_always_allowed = true;

  flag_ptr = &allocation_always_allowed;
 }

 vdo_register_thread(&allocating_threads, new_thread, flag_ptr);
}

/* Unregister the current thread as an allocating thread. */
void vdo_unregister_allocating_thread(void)
{
 vdo_unregister_thread(&allocating_threads);
}

/*
 * We track how much memory has been allocated and freed. When we unload the module, we log an
 * error if we have not freed all the memory that we allocated. Nearly all memory allocation and
 * freeing is done using this module.
 *
 * We do not use kernel functions like the kvasprintf() method, which allocate memory indirectly
 * using kmalloc.
 *
 * These data structures and methods are used to track the amount of memory used.
 */

/*
 * We allocate very few large objects, and allocation/deallocation isn't done in a
 * performance-critical stage for us, so a linked list should be fine.
 */
struct vmalloc_block_info {
 void *ptr;
 size_t size;
 struct vmalloc_block_info *next;
};

static struct {
 spinlock_t lock;
 size_t kmalloc_blocks;
 size_t kmalloc_bytes;
 size_t vmalloc_blocks;
 size_t vmalloc_bytes;
 size_t peak_bytes;
 struct vmalloc_block_info *vmalloc_list;
} memory_stats __cacheline_aligned;

static void update_peak_usage(void)
{
 size_t total_bytes = memory_stats.kmalloc_bytes + memory_stats.vmalloc_bytes;

 if (total_bytes > memory_stats.peak_bytes)
  memory_stats.peak_bytes = total_bytes;
}

static void add_kmalloc_block(size_t size)
{
 unsigned long flags;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 memory_stats.kmalloc_blocks++;
 memory_stats.kmalloc_bytes += size;
 update_peak_usage();
 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
}

static void remove_kmalloc_block(size_t size)
{
 unsigned long flags;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 memory_stats.kmalloc_blocks--;
 memory_stats.kmalloc_bytes -= size;
 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
}

static void add_vmalloc_block(struct vmalloc_block_info *block)
{
 unsigned long flags;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 block->next = memory_stats.vmalloc_list;
 memory_stats.vmalloc_list = block;
 memory_stats.vmalloc_blocks++;
 memory_stats.vmalloc_bytes += block->size;
 update_peak_usage();
 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
}

static void remove_vmalloc_block(void *ptr)
{
 struct vmalloc_block_info *block;
 struct vmalloc_block_info **block_ptr;
 unsigned long flags;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 for (block_ptr = &memory_stats.vmalloc_list;
      (block = *block_ptr) != NULL;
      block_ptr = &block->next) {
  if (block->ptr == ptr) {
   *block_ptr = block->next;
   memory_stats.vmalloc_blocks--;
   memory_stats.vmalloc_bytes -= block->size;
   break;
  }
 }

 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
 if (block != NULL)
  vdo_free(block);
 else
  vdo_log_info("attempting to remove ptr %px not found in vmalloc list", ptr);
}

/*
 * Determine whether allocating a memory block should use kmalloc or __vmalloc.
 *
 * vmalloc can allocate any integral number of pages.
 *
 * kmalloc can allocate any number of bytes up to a configured limit, which defaults to 8 megabytes
 * on some systems. kmalloc is especially good when memory is being both allocated and freed, and
 * it does this efficiently in a multi CPU environment.
 *
 * kmalloc usually rounds the size of the block up to the next power of two, so when the requested
 * block is bigger than PAGE_SIZE / 2 bytes, kmalloc will never give you less space than the
 * corresponding vmalloc allocation. Sometimes vmalloc will use less overhead than kmalloc.
 *
 * The advantages of kmalloc do not help out UDS or VDO, because we allocate all our memory up
 * front and do not free and reallocate it. Sometimes we have problems using kmalloc, because the
 * Linux memory page map can become so fragmented that kmalloc will not give us a 32KB chunk. We
 * have used vmalloc as a backup to kmalloc in the past, and a follow-up vmalloc of 32KB will work.
 * But there is no strong case to be made for using kmalloc over vmalloc for these size chunks.
 *
 * The kmalloc/vmalloc boundary is set at 4KB, and kmalloc gets the 4KB requests. There is no
 * strong reason for favoring either kmalloc or vmalloc for 4KB requests, except that tracking
 * vmalloc statistics uses a linked list implementation. Using a simple test, this choice of
 * boundary results in 132 vmalloc calls. Using vmalloc for requests of exactly 4KB results in an
 * additional 6374 vmalloc calls, which is much less efficient for tracking.
 *
 * @size: How many bytes to allocate
 */
static inline bool use_kmalloc(size_t size)
{
 return size <= PAGE_SIZE;
}

/*
 * Allocate storage based on memory size and alignment, logging an error if the allocation fails.
 * The memory will be zeroed.
 *
 * @size: The size of an object
 * @align: The required alignment
 * @what: What is being allocated (for error logging)
 * @ptr: A pointer to hold the allocated memory
 *
 * Return: VDO_SUCCESS or an error code
 */
int vdo_allocate_memory(size_t size, size_t align, const char *what, void *ptr)
{
 /*
  * The __GFP_RETRY_MAYFAIL flag means the VM implementation will retry memory reclaim
  * procedures that have previously failed if there is some indication that progress has
  * been made elsewhere. It can wait for other tasks to attempt high level approaches to
  * freeing memory such as compaction (which removes fragmentation) and page-out. There is
  * still a definite limit to the number of retries, but it is a larger limit than with
  * __GFP_NORETRY. Allocations with this flag may fail, but only when there is genuinely
  * little unused memory. While these allocations do not directly trigger the OOM killer,
  * their failure indicates that the system is likely to need to use the OOM killer soon.
  * The caller must handle failure, but can reasonably do so by failing a higher-level
  * request, or completing it only in a much less efficient manner.
 */
 const gfp_t gfp_flags = GFP_KERNEL | __GFP_ZERO | __GFP_RETRY_MAYFAIL;
 unsigned int noio_flags;
 bool allocations_restricted = !allocations_allowed();
 unsigned long start_time;
 void *p = NULL;

 if (unlikely(ptr == NULL))
  return -EINVAL;

 if (size == 0) {
  *((void **) ptr) = NULL;
  return VDO_SUCCESS;
 }

 if (allocations_restricted)
  noio_flags = memalloc_noio_save();

 start_time = jiffies;
 if (use_kmalloc(size) && (align < PAGE_SIZE)) {
  p = kmalloc(size, gfp_flags | __GFP_NOWARN);
  if (p == NULL) {
   /*
    * It is possible for kmalloc to fail to allocate memory because there is
    * no page available. A short sleep may allow the page reclaimer to
    * free a page.
 */
   fsleep(1000);
   p = kmalloc(size, gfp_flags);
  }

  if (p != NULL)
   add_kmalloc_block(ksize(p));
 } else {
  struct vmalloc_block_info *block;

  if (vdo_allocate(1, struct vmalloc_block_info, __func__, &block) == VDO_SUCCESS) {
   /*
    * It is possible for __vmalloc to fail to allocate memory because there
    * are no pages available. A short sleep may allow the page reclaimer
    * to free enough pages for a small allocation.
    *
    * For larger allocations, the page_alloc code is racing against the page
    * reclaimer. If the page reclaimer can stay ahead of page_alloc, the
    * __vmalloc will succeed. But if page_alloc overtakes the page reclaimer,
    * the allocation fails. It is possible that more retries will succeed.
 */
   for (;;) {
    p = __vmalloc(size, gfp_flags | __GFP_NOWARN);
    if (p != NULL)
     break;

    if (jiffies_to_msecs(jiffies - start_time) > 1000) {
     /* Try one more time, logging a failure for this call. */
     p = __vmalloc(size, gfp_flags);
     break;
    }

    fsleep(1000);
   }

   if (p == NULL) {
    vdo_free(block);
   } else {
    block->ptr = p;
    block->size = PAGE_ALIGN(size);
    add_vmalloc_block(block);
   }
  }
 }

 if (allocations_restricted)
  memalloc_noio_restore(noio_flags);

 if (unlikely(p == NULL)) {
  vdo_log_error("Could not allocate %zu bytes for %s in %u msecs",
         size, what, jiffies_to_msecs(jiffies - start_time));
  return -ENOMEM;
 }

 *((void **) ptr) = p;
 return VDO_SUCCESS;
}

/*
 * Allocate storage based on memory size, failing immediately if the required memory is not
 * available. The memory will be zeroed.
 *
 * @size: The size of an object.
 * @what: What is being allocated (for error logging)
 *
 * Return: pointer to the allocated memory, or NULL if the required space is not available.
 */
void *vdo_allocate_memory_nowait(size_t size, const char *what __maybe_unused)
{
 void *p = kmalloc(size, GFP_NOWAIT | __GFP_ZERO);

 if (p != NULL)
  add_kmalloc_block(ksize(p));

 return p;
}

void vdo_free(void *ptr)
{
 if (ptr != NULL) {
  if (is_vmalloc_addr(ptr)) {
   remove_vmalloc_block(ptr);
   vfree(ptr);
  } else {
   remove_kmalloc_block(ksize(ptr));
   kfree(ptr);
  }
 }
}

/*
 * Reallocate dynamically allocated memory. There are no alignment guarantees for the reallocated
 * memory. If the new memory is larger than the old memory, the new space will be zeroed.
 *
 * @ptr: The memory to reallocate.
 * @old_size: The old size of the memory
 * @size: The new size to allocate
 * @what: What is being allocated (for error logging)
 * @new_ptr: A pointer to hold the reallocated pointer
 *
 * Return: VDO_SUCCESS or an error code
 */
int vdo_reallocate_memory(void *ptr, size_t old_size, size_t size, const char *what,
     void *new_ptr)
{
 int result;

 if (size == 0) {
  vdo_free(ptr);
  *(void **) new_ptr = NULL;
  return VDO_SUCCESS;
 }

 result = vdo_allocate(size, char, what, new_ptr);
 if (result != VDO_SUCCESS)
  return result;

 if (ptr != NULL) {
  if (old_size < size)
   size = old_size;

  memcpy(*((void **) new_ptr), ptr, size);
  vdo_free(ptr);
 }

 return VDO_SUCCESS;
}

int vdo_duplicate_string(const char *string, const char *what, char **new_string)
{
 int result;
 u8 *dup;

 result = vdo_allocate(strlen(string) + 1, u8, what, &dup);
 if (result != VDO_SUCCESS)
  return result;

 memcpy(dup, string, strlen(string) + 1);
 *new_string = dup;
 return VDO_SUCCESS;
}

void vdo_memory_init(void)
{
 spin_lock_init(&memory_stats.lock);
 vdo_initialize_thread_registry(&allocating_threads);
}

void vdo_memory_exit(void)
{
 VDO_ASSERT_LOG_ONLY(memory_stats.kmalloc_bytes == 0,
       "kmalloc memory used (%zd bytes in %zd blocks) is returned to the kernel",
       memory_stats.kmalloc_bytes, memory_stats.kmalloc_blocks);
 VDO_ASSERT_LOG_ONLY(memory_stats.vmalloc_bytes == 0,
       "vmalloc memory used (%zd bytes in %zd blocks) is returned to the kernel",
       memory_stats.vmalloc_bytes, memory_stats.vmalloc_blocks);
 vdo_log_debug("peak usage %zd bytes", memory_stats.peak_bytes);
}

void vdo_get_memory_stats(u64 *bytes_used, u64 *peak_bytes_used)
{
 unsigned long flags;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 *bytes_used = memory_stats.kmalloc_bytes + memory_stats.vmalloc_bytes;
 *peak_bytes_used = memory_stats.peak_bytes;
 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
}

/*
 * Report stats on any allocated memory that we're tracking. Not all allocation types are
 * guaranteed to be tracked in bytes (e.g., bios).
 */
void vdo_report_memory_usage(void)
{
 unsigned long flags;
 u64 kmalloc_blocks;
 u64 kmalloc_bytes;
 u64 vmalloc_blocks;
 u64 vmalloc_bytes;
 u64 peak_usage;
 u64 total_bytes;

 spin_lock_irqsave(&memory_stats.lock, flags);
 kmalloc_blocks = memory_stats.kmalloc_blocks;
 kmalloc_bytes = memory_stats.kmalloc_bytes;
 vmalloc_blocks = memory_stats.vmalloc_blocks;
 vmalloc_bytes = memory_stats.vmalloc_bytes;
 peak_usage = memory_stats.peak_bytes;
 spin_unlock_irqrestore(&memory_stats.lock, flags);
 total_bytes = kmalloc_bytes + vmalloc_bytes;
 vdo_log_info("current module memory tracking (actual allocation sizes, not requested):");
 vdo_log_info("  %llu bytes in %llu kmalloc blocks",
       (unsigned long long) kmalloc_bytes,
       (unsigned long long) kmalloc_blocks);
 vdo_log_info("  %llu bytes in %llu vmalloc blocks",
       (unsigned long long) vmalloc_bytes,
       (unsigned long long) vmalloc_blocks);
 vdo_log_info("  total %llu bytes, peak usage %llu bytes",
       (unsigned long long) total_bytes, (unsigned long long) peak_usage);
}