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  * @pid:                The PID of the virtual address space to monitor.
  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  * @pid should be set for appropriate address space monitoring primitives
  71  * including the virtual address spaces monitoring primitives.
  72  */
  73 struct damon_target {
  74         struct pid *pid;
  75         unsigned int nr_regions;
  76         struct list_head regions_list;
  77         struct list_head list;
  78 };
  79
  80 /**
  81  * enum damos_action - Represents an action of a Data Access Monitoring-based
  82  * Operation Scheme.
  83  *
  84  * @DAMOS_WILLNEED:     Call ``madvise()`` for the region with MADV_WILLNEED.
  85  * @DAMOS_COLD:         Call ``madvise()`` for the region with MADV_COLD.
  86  * @DAMOS_PAGEOUT:      Call ``madvise()`` for the region with MADV_PAGEOUT.
  87  * @DAMOS_HUGEPAGE:     Call ``madvise()`` for the region with MADV_HUGEPAGE.
  88  * @DAMOS_NOHUGEPAGE:   Call ``madvise()`` for the region with MADV_NOHUGEPAGE.
  89  * @DAMOS_STAT:         Do nothing but count the stat.
  90  */
  91 enum damos_action {
  92         DAMOS_WILLNEED,
  93         DAMOS_COLD,
  94         DAMOS_PAGEOUT,
  95         DAMOS_HUGEPAGE,
  96         DAMOS_NOHUGEPAGE,
  97         DAMOS_STAT,             /* Do nothing but only record the stat */
  98 };
  99
 100 /**
 101  * struct damos_quota - Controls the aggressiveness of the given scheme.
 102  * @ms:                 Maximum milliseconds that the scheme can use.
 103  * @sz:                 Maximum bytes of memory that the action can be applied.
 104  * @reset_interval:     Charge reset interval in milliseconds.
 105  *
 106  * @weight_sz:          Weight of the region's size for prioritization.
 107  * @weight_nr_accesses: Weight of the region's nr_accesses for prioritization.
 108  * @weight_age:         Weight of the region's age for prioritization.
 109  *
 110  * To avoid consuming too much CPU time or IO resources for applying the
 111  * &struct damos->action to large memory, DAMON allows users to set time and/or
 112  * size quotas.  The quotas can be set by writing non-zero values to &ms and
 113  * &sz, respectively.  If the time quota is set, DAMON tries to use only up to
 114  * &ms milliseconds within &reset_interval for applying the action.  If the
 115  * size quota is set, DAMON tries to apply the action only up to &sz bytes
 116  * within &reset_interval.
 117  *
 118  * Internally, the time quota is transformed to a size quota using estimated
 119  * throughput of the scheme's action.  DAMON then compares it against &sz and
 120  * uses smaller one as the effective quota.
 121  *
 122  * For selecting regions within the quota, DAMON prioritizes current scheme's
 123  * target memory regions using the &struct damon_primitive->get_scheme_score.
 124  * You could customize the prioritization logic by setting &weight_sz,
 125  * &weight_nr_accesses, and &weight_age, because monitoring primitives are
 126  * encouraged to respect those.
 127  */
 128 struct damos_quota {
 129         unsigned long ms;
 130         unsigned long sz;
 131         unsigned long reset_interval;
 132
 133         unsigned int weight_sz;
 134         unsigned int weight_nr_accesses;
 135         unsigned int weight_age;
 136
 137 /* private: */
 138         /* For throughput estimation */
 139         unsigned long total_charged_sz;
 140         unsigned long total_charged_ns;
 141
 142         unsigned long esz;      /* Effective size quota in bytes */
 143
 144         /* For charging the quota */
 145         unsigned long charged_sz;
 146         unsigned long charged_from;
 147         struct damon_target *charge_target_from;
 148         unsigned long charge_addr_from;
 149
 150         /* For prioritization */
 151         unsigned long histogram[DAMOS_MAX_SCORE + 1];
 152         unsigned int min_score;
 153 };
 154
 155 /**
 156  * enum damos_wmark_metric - Represents the watermark metric.
 157  *
 158  * @DAMOS_WMARK_NONE:           Ignore the watermarks of the given scheme.
 159  * @DAMOS_WMARK_FREE_MEM_RATE:  Free memory rate of the system in [0,1000].
 160  */
 161 enum damos_wmark_metric {
 162         DAMOS_WMARK_NONE,
 163         DAMOS_WMARK_FREE_MEM_RATE,
 164 };
 165
 166 /**
 167  * struct damos_watermarks - Controls when a given scheme should be activated.
 168  * @metric:     Metric for the watermarks.
 169  * @interval:   Watermarks check time interval in microseconds.
 170  * @high:       High watermark.
 171  * @mid:        Middle watermark.
 172  * @low:        Low watermark.
 173  *
 174  * If &metric is &DAMOS_WMARK_NONE, the scheme is always active.  Being active
 175  * means DAMON does monitoring and applying the action of the scheme to
 176  * appropriate memory regions.  Else, DAMON checks &metric of the system for at
 177  * least every &interval microseconds and works as below.
 178  *
 179  * If &metric is higher than &high, the scheme is inactivated.  If &metric is
 180  * between &mid and &low, the scheme is activated.  If &metric is lower than
 181  * &low, the scheme is inactivated.
 182  */
 183 struct damos_watermarks {
 184         enum damos_wmark_metric metric;
 185         unsigned long interval;
 186         unsigned long high;
 187         unsigned long mid;
 188         unsigned long low;
 189
 190 /* private: */
 191         bool activated;
 192 };
 193
 194 /**
 195  * struct damos_stat - Statistics on a given scheme.
 196  * @nr_tried:   Total number of regions that the scheme is tried to be applied.
 197  * @sz_tried:   Total size of regions that the scheme is tried to be applied.
 198  * @nr_applied: Total number of regions that the scheme is applied.
 199  * @sz_applied: Total size of regions that the scheme is applied.
 200  * @qt_exceeds: Total number of times the quota of the scheme has exceeded.
 201  */
 202 struct damos_stat {
 203         unsigned long nr_tried;
 204         unsigned long sz_tried;
 205         unsigned long nr_applied;
 206         unsigned long sz_applied;
 207         unsigned long qt_exceeds;
 208 };
 209
 210 /**
 211  * struct damos - Represents a Data Access Monitoring-based Operation Scheme.
 212  * @min_sz_region:      Minimum size of target regions.
 213  * @max_sz_region:      Maximum size of target regions.
 214  * @min_nr_accesses:    Minimum ``->nr_accesses`` of target regions.
 215  * @max_nr_accesses:    Maximum ``->nr_accesses`` of target regions.
 216  * @min_age_region:     Minimum age of target regions.
 217  * @max_age_region:     Maximum age of target regions.
 218  * @action:             &damo_action to be applied to the target regions.
 219  * @quota:              Control the aggressiveness of this scheme.
 220  * @wmarks:             Watermarks for automated (in)activation of this scheme.
 221  * @stat:               Statistics of this scheme.
 222  * @list:               List head for siblings.
 223  *
 224  * For each aggregation interval, DAMON finds regions which fit in the
 225  * condition (&min_sz_region, &max_sz_region, &min_nr_accesses,
 226  * &max_nr_accesses, &min_age_region, &max_age_region) and applies &action to
 227  * those.  To avoid consuming too much CPU time or IO resources for the
 228  * &action, &quota is used.
 229  *
 230  * To do the work only when needed, schemes can be activated for specific
 231  * system situations using &wmarks.  If all schemes that registered to the
 232  * monitoring context are inactive, DAMON stops monitoring either, and just
 233  * repeatedly checks the watermarks.
 234  *
 235  * If all schemes that registered to a &struct damon_ctx are inactive, DAMON
 236  * stops monitoring and just repeatedly checks the watermarks.
 237  *
 238  * After applying the &action to each region, &stat_count and &stat_sz is
 239  * updated to reflect the number of regions and total size of regions that the
 240  * &action is applied.
 241  */
 242 struct damos {
 243         unsigned long min_sz_region;
 244         unsigned long max_sz_region;
 245         unsigned int min_nr_accesses;
 246         unsigned int max_nr_accesses;
 247         unsigned int min_age_region;
 248         unsigned int max_age_region;
 249         enum damos_action action;
 250         struct damos_quota quota;
 251         struct damos_watermarks wmarks;
 252         struct damos_stat stat;
 253         struct list_head list;
 254 };
 255
 256 struct damon_ctx;
 257
 258 /**
 259  * struct damon_primitive - Monitoring primitives for given use cases.
 260  *
 261  * @init:                       Initialize primitive-internal data structures.
 262  * @update:                     Update primitive-internal data structures.
 263  * @prepare_access_checks:      Prepare next access check of target regions.
 264  * @check_accesses:             Check the accesses to target regions.
 265  * @reset_aggregated:           Reset aggregated accesses monitoring results.
 266  * @get_scheme_score:           Get the score of a region for a scheme.
 267  * @apply_scheme:               Apply a DAMON-based operation scheme.
 268  * @target_valid:               Determine if the target is valid.
 269  * @cleanup:                    Clean up the context.
 270  *
 271  * DAMON can be extended for various address spaces and usages.  For this,
 272  * users should register the low level primitives for their target address
 273  * space and usecase via the &damon_ctx.primitive.  Then, the monitoring thread
 274  * (&damon_ctx.kdamond) calls @init and @prepare_access_checks before starting
 275  * the monitoring, @update after each &damon_ctx.primitive_update_interval, and
 276  * @check_accesses, @target_valid and @prepare_access_checks after each
 277  * &damon_ctx.sample_interval.  Finally, @reset_aggregated is called after each
 278  * &damon_ctx.aggr_interval.
 279  *
 280  * @init should initialize primitive-internal data structures.  For example,
 281  * this could be used to construct proper monitoring target regions and link
 282  * those to @damon_ctx.adaptive_targets.
 283  * @update should update the primitive-internal data structures.  For example,
 284  * this could be used to update monitoring target regions for current status.
 285  * @prepare_access_checks should manipulate the monitoring regions to be
 286  * prepared for the next access check.
 287  * @check_accesses should check the accesses to each region that made after the
 288  * last preparation and update the number of observed accesses of each region.
 289  * It should also return max number of observed accesses that made as a result
 290  * of its update.  The value will be used for regions adjustment threshold.
 291  * @reset_aggregated should reset the access monitoring results that aggregated
 292  * by @check_accesses.
 293  * @get_scheme_score should return the priority score of a region for a scheme
 294  * as an integer in [0, &DAMOS_MAX_SCORE].
 295  * @apply_scheme is called from @kdamond when a region for user provided
 296  * DAMON-based operation scheme is found.  It should apply the scheme's action
 297  * to the region and return bytes of the region that the action is successfully
 298  * applied.
 299  * @target_valid should check whether the target is still valid for the
 300  * monitoring.
 301  * @cleanup is called from @kdamond just before its termination.
 302  */
 303 struct damon_primitive {
 304         void (*init)(struct damon_ctx *context);
 305         void (*update)(struct damon_ctx *context);
 306         void (*prepare_access_checks)(struct damon_ctx *context);
 307         unsigned int (*check_accesses)(struct damon_ctx *context);
 308         void (*reset_aggregated)(struct damon_ctx *context);
 309         int (*get_scheme_score)(struct damon_ctx *context,
 310                         struct damon_target *t, struct damon_region *r,
 311                         struct damos *scheme);
 312         unsigned long (*apply_scheme)(struct damon_ctx *context,
 313                         struct damon_target *t, struct damon_region *r,
 314                         struct damos *scheme);
 315         bool (*target_valid)(void *target);
 316         void (*cleanup)(struct damon_ctx *context);
 317 };
 318
 319 /**
 320  * struct damon_callback - Monitoring events notification callbacks.
 321  *
 322  * @before_start:       Called before starting the monitoring.
 323  * @after_sampling:     Called after each sampling.
 324  * @after_aggregation:  Called after each aggregation.
 325  * @before_terminate:   Called before terminating the monitoring.
 326  * @private:            User private data.
 327  *
 328  * The monitoring thread (&damon_ctx.kdamond) calls @before_start and
 329  * @before_terminate just before starting and finishing the monitoring,
 330  * respectively.  Therefore, those are good places for installing and cleaning
 331  * @private.
 332  *
 333  * The monitoring thread calls @after_sampling and @after_aggregation for each
 334  * of the sampling intervals and aggregation intervals, respectively.
 335  * Therefore, users can safely access the monitoring results without additional
 336  * protection.  For the reason, users are recommended to use these callback for
 337  * the accesses to the results.
 338  *
 339  * If any callback returns non-zero, monitoring stops.
 340  */
 341 struct damon_callback {
 342         void *private;
 343
 344         int (*before_start)(struct damon_ctx *context);
 345         int (*after_sampling)(struct damon_ctx *context);
 346         int (*after_aggregation)(struct damon_ctx *context);
 347         void (*before_terminate)(struct damon_ctx *context);
 348 };
 349
 350 /**
 351  * struct damon_ctx - Represents a context for each monitoring.  This is the
 352  * main interface that allows users to set the attributes and get the results
 353  * of the monitoring.
 354  *
 355  * @sample_interval:            The time between access samplings.
 356  * @aggr_interval:              The time between monitor results aggregations.
 357  * @primitive_update_interval:  The time between monitoring primitive updates.
 358  *
 359  * For each @sample_interval, DAMON checks whether each region is accessed or
 360  * not.  It aggregates and keeps the access information (number of accesses to
 361  * each region) for @aggr_interval time.  DAMON also checks whether the target
 362  * memory regions need update (e.g., by ``mmap()`` calls from the application,
 363  * in case of virtual memory monitoring) and applies the changes for each
 364  * @primitive_update_interval.  All time intervals are in micro-seconds.
 365  * Please refer to &struct damon_primitive and &struct damon_callback for more
 366  * detail.
 367  *
 368  * @kdamond:            Kernel thread who does the monitoring.
 369  * @kdamond_stop:       Notifies whether kdamond should stop.
 370  * @kdamond_lock:       Mutex for the synchronizations with @kdamond.
 371  *
 372  * For each monitoring context, one kernel thread for the monitoring is
 373  * created.  The pointer to the thread is stored in @kdamond.
 374  *
 375  * Once started, the monitoring thread runs until explicitly required to be
 376  * terminated or every monitoring target is invalid.  The validity of the
 377  * targets is checked via the &damon_primitive.target_valid of @primitive.  The
 378  * termination can also be explicitly requested by writing non-zero to
 379  * @kdamond_stop.  The thread sets @kdamond to NULL when it terminates.
 380  * Therefore, users can know whether the monitoring is ongoing or terminated by
 381  * reading @kdamond.  Reads and writes to @kdamond and @kdamond_stop from
 382  * outside of the monitoring thread must be protected by @kdamond_lock.
 383  *
 384  * Note that the monitoring thread protects only @kdamond and @kdamond_stop via
 385  * @kdamond_lock.  Accesses to other fields must be protected by themselves.
 386  *
 387  * @primitive:  Set of monitoring primitives for given use cases.
 388  * @callback:   Set of callbacks for monitoring events notifications.
 389  *
 390  * @min_nr_regions:     The minimum number of adaptive monitoring regions.
 391  * @max_nr_regions:     The maximum number of adaptive monitoring regions.
 392  * @adaptive_targets:   Head of monitoring targets (&damon_target) list.
 393  * @schemes:            Head of schemes (&damos) list.
 394  */
 395 struct damon_ctx {
 396         unsigned long sample_interval;
 397         unsigned long aggr_interval;
 398         unsigned long primitive_update_interval;
 399
 400 /* private: internal use only */
 401         struct timespec64 last_aggregation;
 402         struct timespec64 last_primitive_update;
 403
 404 /* public: */
 405         struct task_struct *kdamond;
 406         struct mutex kdamond_lock;
 407
 408         struct damon_primitive primitive;
 409         struct damon_callback callback;
 410
 411         unsigned long min_nr_regions;
 412         unsigned long max_nr_regions;
 413         struct list_head adaptive_targets;
 414         struct list_head schemes;
 415 };
 416
 417 static inline struct damon_region *damon_next_region(struct damon_region *r)
 418 {
 419         return container_of(r->list.next, struct damon_region, list);
 420 }
 421
 422 static inline struct damon_region *damon_prev_region(struct damon_region *r)
 423 {
 424         return container_of(r->list.prev, struct damon_region, list);
 425 }
 426
 427 static inline struct damon_region *damon_last_region(struct damon_target *t)
 428 {
 429         return list_last_entry(&t->regions_list, struct damon_region, list);
 430 }
 431
 432 #define damon_for_each_region(r, t) \
 433         list_for_each_entry(r, &t->regions_list, list)
 434
 435 #define damon_for_each_region_safe(r, next, t) \
 436         list_for_each_entry_safe(r, next, &t->regions_list, list)
 437
 438 #define damon_for_each_target(t, ctx) \
 439         list_for_each_entry(t, &(ctx)->adaptive_targets, list)
 440
 441 #define damon_for_each_target_safe(t, next, ctx)        \
 442         list_for_each_entry_safe(t, next, &(ctx)->adaptive_targets, list)
 443
 444 #define damon_for_each_scheme(s, ctx) \
 445         list_for_each_entry(s, &(ctx)->schemes, list)
 446
 447 #define damon_for_each_scheme_safe(s, next, ctx) \
 448         list_for_each_entry_safe(s, next, &(ctx)->schemes, list)
 449
 450 #ifdef CONFIG_DAMON
 451
 452 struct damon_region *damon_new_region(unsigned long start, unsigned long end);
 453
 454 /*
 455  * Add a region between two other regions
 456  */
 457 static inline void damon_insert_region(struct damon_region *r,
 458                 struct damon_region *prev, struct damon_region *next,
 459                 struct damon_target *t)
 460 {
 461         __list_add(&r->list, &prev->list, &next->list);
 462         t->nr_regions++;
 463 }
 464
 465 void damon_add_region(struct damon_region *r, struct damon_target *t);
 466 void damon_destroy_region(struct damon_region *r, struct damon_target *t);
 467
 468 struct damos *damon_new_scheme(
 469                 unsigned long min_sz_region, unsigned long max_sz_region,
 470                 unsigned int min_nr_accesses, unsigned int max_nr_accesses,
 471                 unsigned int min_age_region, unsigned int max_age_region,
 472                 enum damos_action action, struct damos_quota *quota,
 473                 struct damos_watermarks *wmarks);
 474 void damon_add_scheme(struct damon_ctx *ctx, struct damos *s);
 475 void damon_destroy_scheme(struct damos *s);
 476
 477 struct damon_target *damon_new_target(void);
 478 void damon_add_target(struct damon_ctx *ctx, struct damon_target *t);
 479 bool damon_targets_empty(struct damon_ctx *ctx);
 480 void damon_free_target(struct damon_target *t);
 481 void damon_destroy_target(struct damon_target *t);
 482 unsigned int damon_nr_regions(struct damon_target *t);
 483
 484 struct damon_ctx *damon_new_ctx(void);
 485 void damon_destroy_ctx(struct damon_ctx *ctx);
 486 int damon_set_attrs(struct damon_ctx *ctx, unsigned long sample_int,
 487                 unsigned long aggr_int, unsigned long primitive_upd_int,
 488                 unsigned long min_nr_reg, unsigned long max_nr_reg);
 489 int damon_set_schemes(struct damon_ctx *ctx,
 490                         struct damos **schemes, ssize_t nr_schemes);
 491 int damon_nr_running_ctxs(void);
 492
 493 int damon_start(struct damon_ctx **ctxs, int nr_ctxs);
 494 int damon_stop(struct damon_ctx **ctxs, int nr_ctxs);
 495
 496 #endif  /* CONFIG_DAMON */
 497
 498 #ifdef CONFIG_DAMON_VADDR
 499 bool damon_va_target_valid(void *t);
 500 void damon_va_set_primitives(struct damon_ctx *ctx);
 501 #endif  /* CONFIG_DAMON_VADDR */
 502
 503 #ifdef CONFIG_DAMON_PADDR
 504 bool damon_pa_target_valid(void *t);
 505 void damon_pa_set_primitives(struct damon_ctx *ctx);
 506 #endif  /* CONFIG_DAMON_PADDR */
 507
 508 #endif  /* _DAMON_H */