include/linux/damon.h

   1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
   2 /*
   3  * DAMON api
   4  *
   5  * Author: SeongJae Park <sjpark@amazon.de>
   6  */
   7
   8 #ifndef _DAMON_H_
   9 #define _DAMON_H_
  10
  11 #include <linux/mutex.h>
  12 #include <linux/time64.h>
  13 #include <linux/types.h>
  14 #include <linux/random.h>
  15
  16 /* Minimal region size.  Every damon_region is aligned by this. */
  17 #define DAMON_MIN_REGION        PAGE_SIZE
  18 /* Max priority score for DAMON-based operation schemes */
  19 #define DAMOS_MAX_SCORE         (99)
  20
  21 /* Get a random number in [l, r) */
  22 static inline unsigned long damon_rand(unsigned long l, unsigned long r)
  23 {
  24         return l + prandom_u32_max(r - l);
  25 }
  26
  27 /**
  28  * struct damon_addr_range - Represents an address region of [@start, @end).
  29  * @start:      Start address of the region (inclusive).
  30  * @end:        End address of the region (exclusive).
  31  */
  32 struct damon_addr_range {
  33         unsigned long start;
  34         unsigned long end;
  35 };
  36
  37 /**
  38  * struct damon_region - Represents a monitoring target region.
  39  * @ar:                 The address range of the region.
  40  * @sampling_addr:      Address of the sample for the next access check.
  41  * @nr_accesses:        Access frequency of this region.
  42  * @list:               List head for siblings.
  43  * @age:                Age of this region.
  44  *
  45  * @age is initially zero, increased for each aggregation interval, and reset
  46  * to zero again if the access frequency is significantly changed.  If two
  47  * regions are merged into a new region, both @nr_accesses and @age of the new
  48  * region are set as region size-weighted average of those of the two regions.
  49  */
  50 struct damon_region {
  51         struct damon_addr_range ar;
  52         unsigned long sampling_addr;
  53         unsigned int nr_accesses;
  54         struct list_head list;
  55
  56         unsigned int age;
  57 /* private: Internal value for age calculation. */
  58         unsigned int last_nr_accesses;
  59 };
  60
  61 /**
  62  * struct damon_target - Represents a monitoring target.
  63  * @id:                 Unique identifier for this target.
  64  * @nr_regions:         Number of monitoring target regions of this target.
  65  * @regions_list:       Head of the monitoring target regions of this target.
  66  * @list:               List head for siblings.
  67  *
  68  * Each monitoring context could have multiple targets.  For example, a context
  69  * for virtual memory address spaces could have multiple target processes.  The
  70  * @id of each target should be unique among the targets of the context.  For
  71  * example, in the virtual address monitoring context, it could be a pidfd or
  72  * an address of an mm_struct.
  73  */
  74 struct damon_target {
  75         unsigned long id;
  76         unsigned int nr_regions;
  77         struct list_head regions_list;
  78         struct list_head list;
  79 };
  80
  81 /**
  82  * enum damos_action - Represents an action of a Data Access Monitoring-based
  83  * Operation Scheme.
  84  *
  85  * @DAMOS_WILLNEED:     Call ``madvise()`` for the region with MADV_WILLNEED.
  86  * @DAMOS_COLD:         Call ``madvise()`` for the region with MADV_COLD.
  87  * @DAMOS_PAGEOUT:      Call ``madvise()`` for the region with MADV_PAGEOUT.
  88  * @DAMOS_HUGEPAGE:     Call ``madvise()`` for the region with MADV_HUGEPAGE.
  89  * @DAMOS_NOHUGEPAGE:   Call ``madvise()`` for the region with MADV_NOHUGEPAGE.
  90  * @DAMOS_STAT:         Do nothing but count the stat.
  91  */
  92 enum damos_action {
  93         DAMOS_WILLNEED,
  94         DAMOS_COLD,
  95         DAMOS_PAGEOUT,
  96         DAMOS_HUGEPAGE,
  97         DAMOS_NOHUGEPAGE,
  98         DAMOS_STAT,             /* Do nothing but only record the stat */
  99 };
 100
 101 /**
 102  * struct damos_quota - Controls the aggressiveness of the given scheme.
 103  * @ms:                 Maximum milliseconds that the scheme can use.
 104  * @sz:                 Maximum bytes of memory that the action can be applied.
 105  * @reset_interval:     Charge reset interval in milliseconds.
 106  *
 107  * @weight_sz:          Weight of the region's size for prioritization.
 108  * @weight_nr_accesses: Weight of the region's nr_accesses for prioritization.
 109  * @weight_age:         Weight of the region's age for prioritization.
 110  *
 111  * To avoid consuming too much CPU time or IO resources for applying the
 112  * &struct damos->action to large memory, DAMON allows users to set time and/or
 113  * size quotas.  The quotas can be set by writing non-zero values to &ms and
 114  * &sz, respectively.  If the time quota is set, DAMON tries to use only up to
 115  * &ms milliseconds within &reset_interval for applying the action.  If the
 116  * size quota is set, DAMON tries to apply the action only up to &sz bytes
 117  * within &reset_interval.
 118  *
 119  * Internally, the time quota is transformed to a size quota using estimated
 120  * throughput of the scheme's action.  DAMON then compares it against &sz and
 121  * uses smaller one as the effective quota.
 122  *
 123  * For selecting regions within the quota, DAMON prioritizes current scheme's
 124  * target memory regions using the &struct damon_primitive->get_scheme_score.
 125  * You could customize the prioritization logic by setting &weight_sz,
 126  * &weight_nr_accesses, and &weight_age, because monitoring primitives are
 127  * encouraged to respect those.
 128  */
 129 struct damos_quota {
 130         unsigned long ms;
 131         unsigned long sz;
 132         unsigned long reset_interval;
 133
 134         unsigned int weight_sz;
 135         unsigned int weight_nr_accesses;
 136         unsigned int weight_age;
 137
 138 /* private: */
 139         /* For throughput estimation */
 140         unsigned long total_charged_sz;
 141         unsigned long total_charged_ns;
 142
 143         unsigned long esz;      /* Effective size quota in bytes */
 144
 145         /* For charging the quota */
 146         unsigned long charged_sz;
 147         unsigned long charged_from;
 148         struct damon_target *charge_target_from;
 149         unsigned long charge_addr_from;
 150
 151         /* For prioritization */
 152         unsigned long histogram[DAMOS_MAX_SCORE + 1];
 153         unsigned int min_score;
 154 };
 155
 156 /**
 157  * enum damos_wmark_metric - Represents the watermark metric.
 158  *
 159  * @DAMOS_WMARK_NONE:           Ignore the watermarks of the given scheme.
 160  * @DAMOS_WMARK_FREE_MEM_RATE:  Free memory rate of the system in [0,1000].
 161  */
 162 enum damos_wmark_metric {
 163         DAMOS_WMARK_NONE,
 164         DAMOS_WMARK_FREE_MEM_RATE,
 165 };
 166
 167 /**
 168  * struct damos_watermarks - Controls when a given scheme should be activated.
 169  * @metric:     Metric for the watermarks.
 170  * @interval:   Watermarks check time interval in microseconds.
 171  * @high:       High watermark.
 172  * @mid:        Middle watermark.
 173  * @low:        Low watermark.
 174  *
 175  * If &metric is &DAMOS_WMARK_NONE, the scheme is always active.  Being active
 176  * means DAMON does monitoring and applying the action of the scheme to
 177  * appropriate memory regions.  Else, DAMON checks &metric of the system for at
 178  * least every &interval microseconds and works as below.
 179  *
 180  * If &metric is higher than &high, the scheme is inactivated.  If &metric is
 181  * between &mid and &low, the scheme is activated.  If &metric is lower than
 182  * &low, the scheme is inactivated.
 183  */
 184 struct damos_watermarks {
 185         enum damos_wmark_metric metric;
 186         unsigned long interval;
 187         unsigned long high;
 188         unsigned long mid;
 189         unsigned long low;
 190
 191 /* private: */
 192         bool activated;
 193 };
 194
 195 /**
 196  * struct damos - Represents a Data Access Monitoring-based Operation Scheme.
 197  * @min_sz_region:      Minimum size of target regions.
 198  * @max_sz_region:      Maximum size of target regions.
 199  * @min_nr_accesses:    Minimum ``->nr_accesses`` of target regions.
 200  * @max_nr_accesses:    Maximum ``->nr_accesses`` of target regions.
 201  * @min_age_region:     Minimum age of target regions.
 202  * @max_age_region:     Maximum age of target regions.
 203  * @action:             &damo_action to be applied to the target regions.
 204  * @quota:              Control the aggressiveness of this scheme.
 205  * @wmarks:             Watermarks for automated (in)activation of this scheme.
 206  * @stat_count:         Total number of regions that this scheme is applied.
 207  * @stat_sz:            Total size of regions that this scheme is applied.
 208  * @list:               List head for siblings.
 209  *
 210  * For each aggregation interval, DAMON finds regions which fit in the
 211  * condition (&min_sz_region, &max_sz_region, &min_nr_accesses,
 212  * &max_nr_accesses, &min_age_region, &max_age_region) and applies &action to
 213  * those.  To avoid consuming too much CPU time or IO resources for the
 214  * &action, &quota is used.
 215  *
 216  * To do the work only when needed, schemes can be activated for specific
 217  * system situations using &wmarks.  If all schemes that registered to the
 218  * monitoring context are inactive, DAMON stops monitoring either, and just
 219  * repeatedly checks the watermarks.
 220  *
 221  * If all schemes that registered to a &struct damon_ctx are inactive, DAMON
 222  * stops monitoring and just repeatedly checks the watermarks.
 223  *
 224  * After applying the &action to each region, &stat_count and &stat_sz is
 225  * updated to reflect the number of regions and total size of regions that the
 226  * &action is applied.
 227  */
 228 struct damos {
 229         unsigned long min_sz_region;
 230         unsigned long max_sz_region;
 231         unsigned int min_nr_accesses;
 232         unsigned int max_nr_accesses;
 233         unsigned int min_age_region;
 234         unsigned int max_age_region;
 235         enum damos_action action;
 236         struct damos_quota quota;
 237         struct damos_watermarks wmarks;
 238         unsigned long stat_count;
 239         unsigned long stat_sz;
 240         struct list_head list;
 241 };
 242
 243 struct damon_ctx;
 244
 245 /**
 246  * struct damon_primitive - Monitoring primitives for given use cases.
 247  *
 248  * @init:                       Initialize primitive-internal data structures.
 249  * @update:                     Update primitive-internal data structures.
 250  * @prepare_access_checks:      Prepare next access check of target regions.
 251  * @check_accesses:             Check the accesses to target regions.
 252  * @reset_aggregated:           Reset aggregated accesses monitoring results.
 253  * @get_scheme_score:           Get the score of a region for a scheme.
 254  * @apply_scheme:               Apply a DAMON-based operation scheme.
 255  * @target_valid:               Determine if the target is valid.
 256  * @cleanup:                    Clean up the context.
 257  *
 258  * DAMON can be extended for various address spaces and usages.  For this,
 259  * users should register the low level primitives for their target address
 260  * space and usecase via the &damon_ctx.primitive.  Then, the monitoring thread
 261  * (&damon_ctx.kdamond) calls @init and @prepare_access_checks before starting
 262  * the monitoring, @update after each &damon_ctx.primitive_update_interval, and
 263  * @check_accesses, @target_valid and @prepare_access_checks after each
 264  * &damon_ctx.sample_interval.  Finally, @reset_aggregated is called after each
 265  * &damon_ctx.aggr_interval.
 266  *
 267  * @init should initialize primitive-internal data structures.  For example,
 268  * this could be used to construct proper monitoring target regions and link
 269  * those to @damon_ctx.adaptive_targets.
 270  * @update should update the primitive-internal data structures.  For example,
 271  * this could be used to update monitoring target regions for current status.
 272  * @prepare_access_checks should manipulate the monitoring regions to be
 273  * prepared for the next access check.
 274  * @check_accesses should check the accesses to each region that made after the
 275  * last preparation and update the number of observed accesses of each region.
 276  * It should also return max number of observed accesses that made as a result
 277  * of its update.  The value will be used for regions adjustment threshold.
 278  * @reset_aggregated should reset the access monitoring results that aggregated
 279  * by @check_accesses.
 280  * @get_scheme_score should return the priority score of a region for a scheme
 281  * as an integer in [0, &DAMOS_MAX_SCORE].
 282  * @apply_scheme is called from @kdamond when a region for user provided
 283  * DAMON-based operation scheme is found.  It should apply the scheme's action
 284  * to the region.  This is not used for &DAMON_ARBITRARY_TARGET case.
 285  * @target_valid should check whether the target is still valid for the
 286  * monitoring.
 287  * @cleanup is called from @kdamond just before its termination.
 288  */
 289 struct damon_primitive {
 290         void (*init)(struct damon_ctx *context);
 291         void (*update)(struct damon_ctx *context);
 292         void (*prepare_access_checks)(struct damon_ctx *context);
 293         unsigned int (*check_accesses)(struct damon_ctx *context);
 294         void (*reset_aggregated)(struct damon_ctx *context);
 295         int (*get_scheme_score)(struct damon_ctx *context,
 296                         struct damon_target *t, struct damon_region *r,
 297                         struct damos *scheme);
 298         int (*apply_scheme)(struct damon_ctx *context, struct damon_target *t,
 299                         struct damon_region *r, struct damos *scheme);
 300         bool (*target_valid)(void *target);
 301         void (*cleanup)(struct damon_ctx *context);
 302 };
 303
 304 /**
 305  * struct damon_callback - Monitoring events notification callbacks.
 306  *
 307  * @before_start:       Called before starting the monitoring.
 308  * @after_sampling:     Called after each sampling.
 309  * @after_aggregation:  Called after each aggregation.
 310  * @before_terminate:   Called before terminating the monitoring.
 311  * @private:            User private data.
 312  *
 313  * The monitoring thread (&damon_ctx.kdamond) calls @before_start and
 314  * @before_terminate just before starting and finishing the monitoring,
 315  * respectively.  Therefore, those are good places for installing and cleaning
 316  * @private.
 317  *
 318  * The monitoring thread calls @after_sampling and @after_aggregation for each
 319  * of the sampling intervals and aggregation intervals, respectively.
 320  * Therefore, users can safely access the monitoring results without additional
 321  * protection.  For the reason, users are recommended to use these callback for
 322  * the accesses to the results.
 323  *
 324  * If any callback returns non-zero, monitoring stops.
 325  */
 326 struct damon_callback {
 327         void *private;
 328
 329         int (*before_start)(struct damon_ctx *context);
 330         int (*after_sampling)(struct damon_ctx *context);
 331         int (*after_aggregation)(struct damon_ctx *context);
 332         void (*before_terminate)(struct damon_ctx *context);
 333 };
 334
 335 /**
 336  * struct damon_ctx - Represents a context for each monitoring.  This is the
 337  * main interface that allows users to set the attributes and get the results
 338  * of the monitoring.
 339  *
 340  * @sample_interval:            The time between access samplings.
 341  * @aggr_interval:              The time between monitor results aggregations.
 342  * @primitive_update_interval:  The time between monitoring primitive updates.
 343  *
 344  * For each @sample_interval, DAMON checks whether each region is accessed or
 345  * not.  It aggregates and keeps the access information (number of accesses to
 346  * each region) for @aggr_interval time.  DAMON also checks whether the target
 347  * memory regions need update (e.g., by ``mmap()`` calls from the application,
 348  * in case of virtual memory monitoring) and applies the changes for each
 349  * @primitive_update_interval.  All time intervals are in micro-seconds.
 350  * Please refer to &struct damon_primitive and &struct damon_callback for more
 351  * detail.
 352  *
 353  * @kdamond:            Kernel thread who does the monitoring.
 354  * @kdamond_stop:       Notifies whether kdamond should stop.
 355  * @kdamond_lock:       Mutex for the synchronizations with @kdamond.
 356  *
 357  * For each monitoring context, one kernel thread for the monitoring is
 358  * created.  The pointer to the thread is stored in @kdamond.
 359  *
 360  * Once started, the monitoring thread runs until explicitly required to be
 361  * terminated or every monitoring target is invalid.  The validity of the
 362  * targets is checked via the &damon_primitive.target_valid of @primitive.  The
 363  * termination can also be explicitly requested by writing non-zero to
 364  * @kdamond_stop.  The thread sets @kdamond to NULL when it terminates.
 365  * Therefore, users can know whether the monitoring is ongoing or terminated by
 366  * reading @kdamond.  Reads and writes to @kdamond and @kdamond_stop from
 367  * outside of the monitoring thread must be protected by @kdamond_lock.
 368  *
 369  * Note that the monitoring thread protects only @kdamond and @kdamond_stop via
 370  * @kdamond_lock.  Accesses to other fields must be protected by themselves.
 371  *
 372  * @primitive:  Set of monitoring primitives for given use cases.
 373  * @callback:   Set of callbacks for monitoring events notifications.
 374  *
 375  * @min_nr_regions:     The minimum number of adaptive monitoring regions.
 376  * @max_nr_regions:     The maximum number of adaptive monitoring regions.
 377  * @adaptive_targets:   Head of monitoring targets (&damon_target) list.
 378  * @schemes:            Head of schemes (&damos) list.
 379  */
 380 struct damon_ctx {
 381         unsigned long sample_interval;
 382         unsigned long aggr_interval;
 383         unsigned long primitive_update_interval;
 384
 385 /* private: internal use only */
 386         struct timespec64 last_aggregation;
 387         struct timespec64 last_primitive_update;
 388
 389 /* public: */
 390         struct task_struct *kdamond;
 391         struct mutex kdamond_lock;
 392
 393         struct damon_primitive primitive;
 394         struct damon_callback callback;
 395
 396         unsigned long min_nr_regions;
 397         unsigned long max_nr_regions;
 398         struct list_head adaptive_targets;
 399         struct list_head schemes;
 400 };
 401
 402 static inline struct damon_region *damon_next_region(struct damon_region *r)
 403 {
 404         return container_of(r->list.next, struct damon_region, list);
 405 }
 406
 407 static inline struct damon_region *damon_prev_region(struct damon_region *r)
 408 {
 409         return container_of(r->list.prev, struct damon_region, list);
 410 }
 411
 412 static inline struct damon_region *damon_last_region(struct damon_target *t)
 413 {
 414         return list_last_entry(&t->regions_list, struct damon_region, list);
 415 }
 416
 417 #define damon_for_each_region(r, t) \
 418         list_for_each_entry(r, &t->regions_list, list)
 419
 420 #define damon_for_each_region_safe(r, next, t) \
 421         list_for_each_entry_safe(r, next, &t->regions_list, list)
 422
 423 #define damon_for_each_target(t, ctx) \
 424         list_for_each_entry(t, &(ctx)->adaptive_targets, list)
 425
 426 #define damon_for_each_target_safe(t, next, ctx)        \
 427         list_for_each_entry_safe(t, next, &(ctx)->adaptive_targets, list)
 428
 429 #define damon_for_each_scheme(s, ctx) \
 430         list_for_each_entry(s, &(ctx)->schemes, list)
 431
 432 #define damon_for_each_scheme_safe(s, next, ctx) \
 433         list_for_each_entry_safe(s, next, &(ctx)->schemes, list)
 434
 435 #ifdef CONFIG_DAMON
 436
 437 struct damon_region *damon_new_region(unsigned long start, unsigned long end);
 438 inline void damon_insert_region(struct damon_region *r,
 439                 struct damon_region *prev, struct damon_region *next,
 440                 struct damon_target *t);
 441 void damon_add_region(struct damon_region *r, struct damon_target *t);
 442 void damon_destroy_region(struct damon_region *r, struct damon_target *t);
 443
 444 struct damos *damon_new_scheme(
 445                 unsigned long min_sz_region, unsigned long max_sz_region,
 446                 unsigned int min_nr_accesses, unsigned int max_nr_accesses,
 447                 unsigned int min_age_region, unsigned int max_age_region,
 448                 enum damos_action action, struct damos_quota *quota,
 449                 struct damos_watermarks *wmarks);
 450 void damon_add_scheme(struct damon_ctx *ctx, struct damos *s);
 451 void damon_destroy_scheme(struct damos *s);
 452
 453 struct damon_target *damon_new_target(unsigned long id);
 454 void damon_add_target(struct damon_ctx *ctx, struct damon_target *t);
 455 bool damon_targets_empty(struct damon_ctx *ctx);
 456 void damon_free_target(struct damon_target *t);
 457 void damon_destroy_target(struct damon_target *t);
 458 unsigned int damon_nr_regions(struct damon_target *t);
 459
 460 struct damon_ctx *damon_new_ctx(void);
 461 void damon_destroy_ctx(struct damon_ctx *ctx);
 462 int damon_set_targets(struct damon_ctx *ctx,
 463                 unsigned long *ids, ssize_t nr_ids);
 464 int damon_set_attrs(struct damon_ctx *ctx, unsigned long sample_int,
 465                 unsigned long aggr_int, unsigned long primitive_upd_int,
 466                 unsigned long min_nr_reg, unsigned long max_nr_reg);
 467 int damon_set_schemes(struct damon_ctx *ctx,
 468                         struct damos **schemes, ssize_t nr_schemes);
 469 int damon_nr_running_ctxs(void);
 470
 471 int damon_start(struct damon_ctx **ctxs, int nr_ctxs);
 472 int damon_stop(struct damon_ctx **ctxs, int nr_ctxs);
 473
 474 #endif  /* CONFIG_DAMON */
 475
 476 #ifdef CONFIG_DAMON_VADDR
 477 bool damon_va_target_valid(void *t);
 478 void damon_va_set_primitives(struct damon_ctx *ctx);
 479 #endif  /* CONFIG_DAMON_VADDR */
 480
 481 #ifdef CONFIG_DAMON_PADDR
 482 bool damon_pa_target_valid(void *t);
 483 void damon_pa_set_primitives(struct damon_ctx *ctx);
 484 #endif  /* CONFIG_DAMON_PADDR */
 485
 486 #endif  /* _DAMON_H */