Merge 5.17-rc6 into driver-core-next
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / vm / frontswap.rst
1 .. _frontswap:
2
3 =========
4 Frontswap
5 =========
6
7 Frontswap provides a "transcendent memory" interface for swap pages.
8 In some environments, dramatic performance savings may be obtained because
9 swapped pages are saved in RAM (or a RAM-like device) instead of a swap disk.
10
11 .. _Transcendent memory in a nutshell: https://lwn.net/Articles/454795/
12
13 Frontswap is so named because it can be thought of as the opposite of
14 a "backing" store for a swap device.  The storage is assumed to be
15 a synchronous concurrency-safe page-oriented "pseudo-RAM device" conforming
16 to the requirements of transcendent memory (such as Xen's "tmem", or
17 in-kernel compressed memory, aka "zcache", or future RAM-like devices);
18 this pseudo-RAM device is not directly accessible or addressable by the
19 kernel and is of unknown and possibly time-varying size.  The driver
20 links itself to frontswap by calling frontswap_register_ops to set the
21 frontswap_ops funcs appropriately and the functions it provides must
22 conform to certain policies as follows:
23
24 An "init" prepares the device to receive frontswap pages associated
25 with the specified swap device number (aka "type").  A "store" will
26 copy the page to transcendent memory and associate it with the type and
27 offset associated with the page. A "load" will copy the page, if found,
28 from transcendent memory into kernel memory, but will NOT remove the page
29 from transcendent memory.  An "invalidate_page" will remove the page
30 from transcendent memory and an "invalidate_area" will remove ALL pages
31 associated with the swap type (e.g., like swapoff) and notify the "device"
32 to refuse further stores with that swap type.
33
34 Once a page is successfully stored, a matching load on the page will normally
35 succeed.  So when the kernel finds itself in a situation where it needs
36 to swap out a page, it first attempts to use frontswap.  If the store returns
37 success, the data has been successfully saved to transcendent memory and
38 a disk write and, if the data is later read back, a disk read are avoided.
39 If a store returns failure, transcendent memory has rejected the data, and the
40 page can be written to swap as usual.
41
42 Note that if a page is stored and the page already exists in transcendent memory
43 (a "duplicate" store), either the store succeeds and the data is overwritten,
44 or the store fails AND the page is invalidated.  This ensures stale data may
45 never be obtained from frontswap.
46
47 If properly configured, monitoring of frontswap is done via debugfs in
48 the `/sys/kernel/debug/frontswap` directory.  The effectiveness of
49 frontswap can be measured (across all swap devices) with:
50
51 ``failed_stores``
52         how many store attempts have failed
53
54 ``loads``
55         how many loads were attempted (all should succeed)
56
57 ``succ_stores``
58         how many store attempts have succeeded
59
60 ``invalidates``
61         how many invalidates were attempted
62
63 A backend implementation may provide additional metrics.
64
65 FAQ
66 ===
67
68 * Where's the value?
69
70 When a workload starts swapping, performance falls through the floor.
71 Frontswap significantly increases performance in many such workloads by
72 providing a clean, dynamic interface to read and write swap pages to
73 "transcendent memory" that is otherwise not directly addressable to the kernel.
74 This interface is ideal when data is transformed to a different form
75 and size (such as with compression) or secretly moved (as might be
76 useful for write-balancing for some RAM-like devices).  Swap pages (and
77 evicted page-cache pages) are a great use for this kind of slower-than-RAM-
78 but-much-faster-than-disk "pseudo-RAM device".
79
80 Frontswap with a fairly small impact on the kernel,
81 provides a huge amount of flexibility for more dynamic, flexible RAM
82 utilization in various system configurations:
83
84 In the single kernel case, aka "zcache", pages are compressed and
85 stored in local memory, thus increasing the total anonymous pages
86 that can be safely kept in RAM.  Zcache essentially trades off CPU
87 cycles used in compression/decompression for better memory utilization.
88 Benchmarks have shown little or no impact when memory pressure is
89 low while providing a significant performance improvement (25%+)
90 on some workloads under high memory pressure.
91
92 "RAMster" builds on zcache by adding "peer-to-peer" transcendent memory
93 support for clustered systems.  Frontswap pages are locally compressed
94 as in zcache, but then "remotified" to another system's RAM.  This
95 allows RAM to be dynamically load-balanced back-and-forth as needed,
96 i.e. when system A is overcommitted, it can swap to system B, and
97 vice versa.  RAMster can also be configured as a memory server so
98 many servers in a cluster can swap, dynamically as needed, to a single
99 server configured with a large amount of RAM... without pre-configuring
100 how much of the RAM is available for each of the clients!
101
102 In the virtual case, the whole point of virtualization is to statistically
103 multiplex physical resources across the varying demands of multiple
104 virtual machines.  This is really hard to do with RAM and efforts to do
105 it well with no kernel changes have essentially failed (except in some
106 well-publicized special-case workloads).
107 Specifically, the Xen Transcendent Memory backend allows otherwise
108 "fallow" hypervisor-owned RAM to not only be "time-shared" between multiple
109 virtual machines, but the pages can be compressed and deduplicated to
110 optimize RAM utilization.  And when guest OS's are induced to surrender
111 underutilized RAM (e.g. with "selfballooning"), sudden unexpected
112 memory pressure may result in swapping; frontswap allows those pages
113 to be swapped to and from hypervisor RAM (if overall host system memory
114 conditions allow), thus mitigating the potentially awful performance impact
115 of unplanned swapping.
116
117 A KVM implementation is underway and has been RFC'ed to lkml.  And,
118 using frontswap, investigation is also underway on the use of NVM as
119 a memory extension technology.
120
121 * Sure there may be performance advantages in some situations, but
122   what's the space/time overhead of frontswap?
123
124 If CONFIG_FRONTSWAP is disabled, every frontswap hook compiles into
125 nothingness and the only overhead is a few extra bytes per swapon'ed
126 swap device.  If CONFIG_FRONTSWAP is enabled but no frontswap "backend"
127 registers, there is one extra global variable compared to zero for
128 every swap page read or written.  If CONFIG_FRONTSWAP is enabled
129 AND a frontswap backend registers AND the backend fails every "store"
130 request (i.e. provides no memory despite claiming it might),
131 CPU overhead is still negligible -- and since every frontswap fail
132 precedes a swap page write-to-disk, the system is highly likely
133 to be I/O bound and using a small fraction of a percent of a CPU
134 will be irrelevant anyway.
135
136 As for space, if CONFIG_FRONTSWAP is enabled AND a frontswap backend
137 registers, one bit is allocated for every swap page for every swap
138 device that is swapon'd.  This is added to the EIGHT bits (which
139 was sixteen until about 2.6.34) that the kernel already allocates
140 for every swap page for every swap device that is swapon'd.  (Hugh
141 Dickins has observed that frontswap could probably steal one of
142 the existing eight bits, but let's worry about that minor optimization
143 later.)  For very large swap disks (which are rare) on a standard
144 4K pagesize, this is 1MB per 32GB swap.
145
146 When swap pages are stored in transcendent memory instead of written
147 out to disk, there is a side effect that this may create more memory
148 pressure that can potentially outweigh the other advantages.  A
149 backend, such as zcache, must implement policies to carefully (but
150 dynamically) manage memory limits to ensure this doesn't happen.
151
152 * OK, how about a quick overview of what this frontswap patch does
153   in terms that a kernel hacker can grok?
154
155 Let's assume that a frontswap "backend" has registered during
156 kernel initialization; this registration indicates that this
157 frontswap backend has access to some "memory" that is not directly
158 accessible by the kernel.  Exactly how much memory it provides is
159 entirely dynamic and random.
160
161 Whenever a swap-device is swapon'd frontswap_init() is called,
162 passing the swap device number (aka "type") as a parameter.
163 This notifies frontswap to expect attempts to "store" swap pages
164 associated with that number.
165
166 Whenever the swap subsystem is readying a page to write to a swap
167 device (c.f swap_writepage()), frontswap_store is called.  Frontswap
168 consults with the frontswap backend and if the backend says it does NOT
169 have room, frontswap_store returns -1 and the kernel swaps the page
170 to the swap device as normal.  Note that the response from the frontswap
171 backend is unpredictable to the kernel; it may choose to never accept a
172 page, it could accept every ninth page, or it might accept every
173 page.  But if the backend does accept a page, the data from the page
174 has already been copied and associated with the type and offset,
175 and the backend guarantees the persistence of the data.  In this case,
176 frontswap sets a bit in the "frontswap_map" for the swap device
177 corresponding to the page offset on the swap device to which it would
178 otherwise have written the data.
179
180 When the swap subsystem needs to swap-in a page (swap_readpage()),
181 it first calls frontswap_load() which checks the frontswap_map to
182 see if the page was earlier accepted by the frontswap backend.  If
183 it was, the page of data is filled from the frontswap backend and
184 the swap-in is complete.  If not, the normal swap-in code is
185 executed to obtain the page of data from the real swap device.
186
187 So every time the frontswap backend accepts a page, a swap device read
188 and (potentially) a swap device write are replaced by a "frontswap backend
189 store" and (possibly) a "frontswap backend loads", which are presumably much
190 faster.
191
192 * Can't frontswap be configured as a "special" swap device that is
193   just higher priority than any real swap device (e.g. like zswap,
194   or maybe swap-over-nbd/NFS)?
195
196 No.  First, the existing swap subsystem doesn't allow for any kind of
197 swap hierarchy.  Perhaps it could be rewritten to accommodate a hierarchy,
198 but this would require fairly drastic changes.  Even if it were
199 rewritten, the existing swap subsystem uses the block I/O layer which
200 assumes a swap device is fixed size and any page in it is linearly
201 addressable.  Frontswap barely touches the existing swap subsystem,
202 and works around the constraints of the block I/O subsystem to provide
203 a great deal of flexibility and dynamicity.
204
205 For example, the acceptance of any swap page by the frontswap backend is
206 entirely unpredictable. This is critical to the definition of frontswap
207 backends because it grants completely dynamic discretion to the
208 backend.  In zcache, one cannot know a priori how compressible a page is.
209 "Poorly" compressible pages can be rejected, and "poorly" can itself be
210 defined dynamically depending on current memory constraints.
211
212 Further, frontswap is entirely synchronous whereas a real swap
213 device is, by definition, asynchronous and uses block I/O.  The
214 block I/O layer is not only unnecessary, but may perform "optimizations"
215 that are inappropriate for a RAM-oriented device including delaying
216 the write of some pages for a significant amount of time.  Synchrony is
217 required to ensure the dynamicity of the backend and to avoid thorny race
218 conditions that would unnecessarily and greatly complicate frontswap
219 and/or the block I/O subsystem.  That said, only the initial "store"
220 and "load" operations need be synchronous.  A separate asynchronous thread
221 is free to manipulate the pages stored by frontswap.  For example,
222 the "remotification" thread in RAMster uses standard asynchronous
223 kernel sockets to move compressed frontswap pages to a remote machine.
224 Similarly, a KVM guest-side implementation could do in-guest compression
225 and use "batched" hypercalls.
226
227 In a virtualized environment, the dynamicity allows the hypervisor
228 (or host OS) to do "intelligent overcommit".  For example, it can
229 choose to accept pages only until host-swapping might be imminent,
230 then force guests to do their own swapping.
231
232 There is a downside to the transcendent memory specifications for
233 frontswap:  Since any "store" might fail, there must always be a real
234 slot on a real swap device to swap the page.  Thus frontswap must be
235 implemented as a "shadow" to every swapon'd device with the potential
236 capability of holding every page that the swap device might have held
237 and the possibility that it might hold no pages at all.  This means
238 that frontswap cannot contain more pages than the total of swapon'd
239 swap devices.  For example, if NO swap device is configured on some
240 installation, frontswap is useless.  Swapless portable devices
241 can still use frontswap but a backend for such devices must configure
242 some kind of "ghost" swap device and ensure that it is never used.
243
244 * Why this weird definition about "duplicate stores"?  If a page
245   has been previously successfully stored, can't it always be
246   successfully overwritten?
247
248 Nearly always it can, but no, sometimes it cannot.  Consider an example
249 where data is compressed and the original 4K page has been compressed
250 to 1K.  Now an attempt is made to overwrite the page with data that
251 is non-compressible and so would take the entire 4K.  But the backend
252 has no more space.  In this case, the store must be rejected.  Whenever
253 frontswap rejects a store that would overwrite, it also must invalidate
254 the old data and ensure that it is no longer accessible.  Since the
255 swap subsystem then writes the new data to the read swap device,
256 this is the correct course of action to ensure coherency.
257
258 * Why does the frontswap patch create the new include file swapfile.h?
259
260 The frontswap code depends on some swap-subsystem-internal data
261 structures that have, over the years, moved back and forth between
262 static and global.  This seemed a reasonable compromise:  Define
263 them as global but declare them in a new include file that isn't
264 included by the large number of source files that include swap.h.
265
266 Dan Magenheimer, last updated April 9, 2012