mm/workingset.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * Workingset detection
   4  *
   5  * Copyright (C) 2013 Red Hat, Inc., Johannes Weiner
   6  */
   7
   8 #include <linux/memcontrol.h>
   9 #include <linux/writeback.h>
  10 #include <linux/shmem_fs.h>
  11 #include <linux/pagemap.h>
  12 #include <linux/atomic.h>
  13 #include <linux/module.h>
  14 #include <linux/swap.h>
  15 #include <linux/dax.h>
  16 #include <linux/fs.h>
  17 #include <linux/mm.h>
  18
  19 /*
  20  *              Double CLOCK lists
  21  *
  22  * Per node, two clock lists are maintained for file pages: the
  23  * inactive and the active list.  Freshly faulted pages start out at
  24  * the head of the inactive list and page reclaim scans pages from the
  25  * tail.  Pages that are accessed multiple times on the inactive list
  26  * are promoted to the active list, to protect them from reclaim,
  27  * whereas active pages are demoted to the inactive list when the
  28  * active list grows too big.
  29  *
  30  *   fault ------------------------+
  31  *                                 |
  32  *              +--------------+   |            +-------------+
  33  *   reclaim <- |   inactive   | <-+-- demotion |    active   | <--+
  34  *              +--------------+                +-------------+    |
  35  *                     |                                           |
  36  *                     +-------------- promotion ------------------+
  37  *
  38  *
  39  *              Access frequency and refault distance
  40  *
  41  * A workload is thrashing when its pages are frequently used but they
  42  * are evicted from the inactive list every time before another access
  43  * would have promoted them to the active list.
  44  *
  45  * In cases where the average access distance between thrashing pages
  46  * is bigger than the size of memory there is nothing that can be
  47  * done - the thrashing set could never fit into memory under any
  48  * circumstance.
  49  *
  50  * However, the average access distance could be bigger than the
  51  * inactive list, yet smaller than the size of memory.  In this case,
  52  * the set could fit into memory if it weren't for the currently
  53  * active pages - which may be used more, hopefully less frequently:
  54  *
  55  *      +-memory available to cache-+
  56  *      |                           |
  57  *      +-inactive------+-active----+
  58  *  a b | c d e f g h i | J K L M N |
  59  *      +---------------+-----------+
  60  *
  61  * It is prohibitively expensive to accurately track access frequency
  62  * of pages.  But a reasonable approximation can be made to measure
  63  * thrashing on the inactive list, after which refaulting pages can be
  64  * activated optimistically to compete with the existing active pages.
  65  *
  66  * Approximating inactive page access frequency - Observations:
  67  *
  68  * 1. When a page is accessed for the first time, it is added to the
  69  *    head of the inactive list, slides every existing inactive page
  70  *    towards the tail by one slot, and pushes the current tail page
  71  *    out of memory.
  72  *
  73  * 2. When a page is accessed for the second time, it is promoted to
  74  *    the active list, shrinking the inactive list by one slot.  This
  75  *    also slides all inactive pages that were faulted into the cache
  76  *    more recently than the activated page towards the tail of the
  77  *    inactive list.
  78  *
  79  * Thus:
  80  *
  81  * 1. The sum of evictions and activations between any two points in
  82  *    time indicate the minimum number of inactive pages accessed in
  83  *    between.
  84  *
  85  * 2. Moving one inactive page N page slots towards the tail of the
  86  *    list requires at least N inactive page accesses.
  87  *
  88  * Combining these:
  89  *
  90  * 1. When a page is finally evicted from memory, the number of
  91  *    inactive pages accessed while the page was in cache is at least
  92  *    the number of page slots on the inactive list.
  93  *
  94  * 2. In addition, measuring the sum of evictions and activations (E)
  95  *    at the time of a page's eviction, and comparing it to another
  96  *    reading (R) at the time the page faults back into memory tells
  97  *    the minimum number of accesses while the page was not cached.
  98  *    This is called the refault distance.
  99  *
 100  * Because the first access of the page was the fault and the second
 101  * access the refault, we combine the in-cache distance with the
 102  * out-of-cache distance to get the complete minimum access distance
 103  * of this page:
 104  *
 105  *      NR_inactive + (R - E)
 106  *
 107  * And knowing the minimum access distance of a page, we can easily
 108  * tell if the page would be able to stay in cache assuming all page
 109  * slots in the cache were available:
 110  *
 111  *   NR_inactive + (R - E) <= NR_inactive + NR_active
 112  *
 113  * which can be further simplified to
 114  *
 115  *   (R - E) <= NR_active
 116  *
 117  * Put into words, the refault distance (out-of-cache) can be seen as
 118  * a deficit in inactive list space (in-cache).  If the inactive list
 119  * had (R - E) more page slots, the page would not have been evicted
 120  * in between accesses, but activated instead.  And on a full system,
 121  * the only thing eating into inactive list space is active pages.
 122  *
 123  *
 124  *              Refaulting inactive pages
 125  *
 126  * All that is known about the active list is that the pages have been
 127  * accessed more than once in the past.  This means that at any given
 128  * time there is actually a good chance that pages on the active list
 129  * are no longer in active use.
 130  *
 131  * So when a refault distance of (R - E) is observed and there are at
 132  * least (R - E) active pages, the refaulting page is activated
 133  * optimistically in the hope that (R - E) active pages are actually
 134  * used less frequently than the refaulting page - or even not used at
 135  * all anymore.
 136  *
 137  * That means if inactive cache is refaulting with a suitable refault
 138  * distance, we assume the cache workingset is transitioning and put
 139  * pressure on the current active list.
 140  *
 141  * If this is wrong and demotion kicks in, the pages which are truly
 142  * used more frequently will be reactivated while the less frequently
 143  * used once will be evicted from memory.
 144  *
 145  * But if this is right, the stale pages will be pushed out of memory
 146  * and the used pages get to stay in cache.
 147  *
 148  *              Refaulting active pages
 149  *
 150  * If on the other hand the refaulting pages have recently been
 151  * deactivated, it means that the active list is no longer protecting
 152  * actively used cache from reclaim. The cache is NOT transitioning to
 153  * a different workingset; the existing workingset is thrashing in the
 154  * space allocated to the page cache.
 155  *
 156  *
 157  *              Implementation
 158  *
 159  * For each node's file LRU lists, a counter for inactive evictions
 160  * and activations is maintained (node->inactive_age).
 161  *
 162  * On eviction, a snapshot of this counter (along with some bits to
 163  * identify the node) is stored in the now empty page cache
 164  * slot of the evicted page.  This is called a shadow entry.
 165  *
 166  * On cache misses for which there are shadow entries, an eligible
 167  * refault distance will immediately activate the refaulting page.
 168  */
 169
 170 #define EVICTION_SHIFT  ((BITS_PER_LONG - BITS_PER_XA_VALUE) +  \
 171                          1 + NODES_SHIFT + MEM_CGROUP_ID_SHIFT)
 172 #define EVICTION_MASK   (~0UL >> EVICTION_SHIFT)
 173
 174 /*
 175  * Eviction timestamps need to be able to cover the full range of
 176  * actionable refaults. However, bits are tight in the xarray
 177  * entry, and after storing the identifier for the lruvec there might
 178  * not be enough left to represent every single actionable refault. In
 179  * that case, we have to sacrifice granularity for distance, and group
 180  * evictions into coarser buckets by shaving off lower timestamp bits.
 181  */
 182 static unsigned int bucket_order __read_mostly;
 183
 184 static void *pack_shadow(int memcgid, pg_data_t *pgdat, unsigned long eviction,
 185                          bool workingset)
 186 {
 187         eviction >>= bucket_order;
 188         eviction &= EVICTION_MASK;
 189         eviction = (eviction << MEM_CGROUP_ID_SHIFT) | memcgid;
 190         eviction = (eviction << NODES_SHIFT) | pgdat->node_id;
 191         eviction = (eviction << 1) | workingset;
 192
 193         return xa_mk_value(eviction);
 194 }
 195
 196 static void unpack_shadow(void *shadow, int *memcgidp, pg_data_t **pgdat,
 197                           unsigned long *evictionp, bool *workingsetp)
 198 {
 199         unsigned long entry = xa_to_value(shadow);
 200         int memcgid, nid;
 201         bool workingset;
 202
 203         workingset = entry & 1;
 204         entry >>= 1;
 205         nid = entry & ((1UL << NODES_SHIFT) - 1);
 206         entry >>= NODES_SHIFT;
 207         memcgid = entry & ((1UL << MEM_CGROUP_ID_SHIFT) - 1);
 208         entry >>= MEM_CGROUP_ID_SHIFT;
 209
 210         *memcgidp = memcgid;
 211         *pgdat = NODE_DATA(nid);
 212         *evictionp = entry << bucket_order;
 213         *workingsetp = workingset;
 214 }
 215
 216 /**
 217  * workingset_eviction - note the eviction of a page from memory
 218  * @page: the page being evicted
 219  *
 220  * Returns a shadow entry to be stored in @page->mapping->i_pages in place
 221  * of the evicted @page so that a later refault can be detected.
 222  */
 223 void *workingset_eviction(struct page *page)
 224 {
 225         struct pglist_data *pgdat = page_pgdat(page);
 226         struct mem_cgroup *memcg = page_memcg(page);
 227         int memcgid = mem_cgroup_id(memcg);
 228         unsigned long eviction;
 229         struct lruvec *lruvec;
 230
 231         /* Page is fully exclusive and pins page->mem_cgroup */
 232         VM_BUG_ON_PAGE(PageLRU(page), page);
 233         VM_BUG_ON_PAGE(page_count(page), page);
 234         VM_BUG_ON_PAGE(!PageLocked(page), page);
 235
 236         lruvec = mem_cgroup_lruvec(pgdat, memcg);
 237         eviction = atomic_long_inc_return(&lruvec->inactive_age);
 238         return pack_shadow(memcgid, pgdat, eviction, PageWorkingset(page));
 239 }
 240
 241 /**
 242  * workingset_refault - evaluate the refault of a previously evicted page
 243  * @page: the freshly allocated replacement page
 244  * @shadow: shadow entry of the evicted page
 245  *
 246  * Calculates and evaluates the refault distance of the previously
 247  * evicted page in the context of the node it was allocated in.
 248  */
 249 void workingset_refault(struct page *page, void *shadow)
 250 {
 251         unsigned long refault_distance;
 252         struct pglist_data *pgdat;
 253         unsigned long active_file;
 254         struct mem_cgroup *memcg;
 255         unsigned long eviction;
 256         struct lruvec *lruvec;
 257         unsigned long refault;
 258         bool workingset;
 259         int memcgid;
 260
 261         unpack_shadow(shadow, &memcgid, &pgdat, &eviction, &workingset);
 262
 263         rcu_read_lock();
 264         /*
 265          * Look up the memcg associated with the stored ID. It might
 266          * have been deleted since the page's eviction.
 267          *
 268          * Note that in rare events the ID could have been recycled
 269          * for a new cgroup that refaults a shared page. This is
 270          * impossible to tell from the available data. However, this
 271          * should be a rare and limited disturbance, and activations
 272          * are always speculative anyway. Ultimately, it's the aging
 273          * algorithm's job to shake out the minimum access frequency
 274          * for the active cache.
 275          *
 276          * XXX: On !CONFIG_MEMCG, this will always return NULL; it
 277          * would be better if the root_mem_cgroup existed in all
 278          * configurations instead.
 279          */
 280         memcg = mem_cgroup_from_id(memcgid);
 281         if (!mem_cgroup_disabled() && !memcg)
 282                 goto out;
 283         lruvec = mem_cgroup_lruvec(pgdat, memcg);
 284         refault = atomic_long_read(&lruvec->inactive_age);
 285         active_file = lruvec_lru_size(lruvec, LRU_ACTIVE_FILE, MAX_NR_ZONES);
 286
 287         /*
 288          * Calculate the refault distance
 289          *
 290          * The unsigned subtraction here gives an accurate distance
 291          * across inactive_age overflows in most cases. There is a
 292          * special case: usually, shadow entries have a short lifetime
 293          * and are either refaulted or reclaimed along with the inode
 294          * before they get too old.  But it is not impossible for the
 295          * inactive_age to lap a shadow entry in the field, which can
 296          * then result in a false small refault distance, leading to a
 297          * false activation should this old entry actually refault
 298          * again.  However, earlier kernels used to deactivate
 299          * unconditionally with *every* reclaim invocation for the
 300          * longest time, so the occasional inappropriate activation
 301          * leading to pressure on the active list is not a problem.
 302          */
 303         refault_distance = (refault - eviction) & EVICTION_MASK;
 304
 305         inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_REFAULT);
 306
 307         /*
 308          * Compare the distance to the existing workingset size. We
 309          * don't act on pages that couldn't stay resident even if all
 310          * the memory was available to the page cache.
 311          */
 312         if (refault_distance > active_file)
 313                 goto out;
 314
 315         SetPageActive(page);
 316         atomic_long_inc(&lruvec->inactive_age);
 317         inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_ACTIVATE);
 318
 319         /* Page was active prior to eviction */
 320         if (workingset) {
 321                 SetPageWorkingset(page);
 322                 inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_RESTORE);
 323         }
 324 out:
 325         rcu_read_unlock();
 326 }
 327
 328 /**
 329  * workingset_activation - note a page activation
 330  * @page: page that is being activated
 331  */
 332 void workingset_activation(struct page *page)
 333 {
 334         struct mem_cgroup *memcg;
 335         struct lruvec *lruvec;
 336
 337         rcu_read_lock();
 338         /*
 339          * Filter non-memcg pages here, e.g. unmap can call
 340          * mark_page_accessed() on VDSO pages.
 341          *
 342          * XXX: See workingset_refault() - this should return
 343          * root_mem_cgroup even for !CONFIG_MEMCG.
 344          */
 345         memcg = page_memcg_rcu(page);
 346         if (!mem_cgroup_disabled() && !memcg)
 347                 goto out;
 348         lruvec = mem_cgroup_lruvec(page_pgdat(page), memcg);
 349         atomic_long_inc(&lruvec->inactive_age);
 350 out:
 351         rcu_read_unlock();
 352 }
 353
 354 /*
 355  * Shadow entries reflect the share of the working set that does not
 356  * fit into memory, so their number depends on the access pattern of
 357  * the workload.  In most cases, they will refault or get reclaimed
 358  * along with the inode, but a (malicious) workload that streams
 359  * through files with a total size several times that of available
 360  * memory, while preventing the inodes from being reclaimed, can
 361  * create excessive amounts of shadow nodes.  To keep a lid on this,
 362  * track shadow nodes and reclaim them when they grow way past the
 363  * point where they would still be useful.
 364  */
 365
 366 static struct list_lru shadow_nodes;
 367
 368 void workingset_update_node(struct xa_node *node)
 369 {
 370         /*
 371          * Track non-empty nodes that contain only shadow entries;
 372          * unlink those that contain pages or are being freed.
 373          *
 374          * Avoid acquiring the list_lru lock when the nodes are
 375          * already where they should be. The list_empty() test is safe
 376          * as node->private_list is protected by the i_pages lock.
 377          */
 378         VM_WARN_ON_ONCE(!irqs_disabled());  /* For __inc_lruvec_page_state */
 379
 380         if (node->count && node->count == node->nr_values) {
 381                 if (list_empty(&node->private_list)) {
 382                         list_lru_add(&shadow_nodes, &node->private_list);
 383                         __inc_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
 384                 }
 385         } else {
 386                 if (!list_empty(&node->private_list)) {
 387                         list_lru_del(&shadow_nodes, &node->private_list);
 388                         __dec_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
 389                 }
 390         }
 391 }
 392
 393 static unsigned long count_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
 394                                         struct shrink_control *sc)
 395 {
 396         unsigned long max_nodes;
 397         unsigned long nodes;
 398         unsigned long pages;
 399
 400         nodes = list_lru_shrink_count(&shadow_nodes, sc);
 401
 402         /*
 403          * Approximate a reasonable limit for the nodes
 404          * containing shadow entries. We don't need to keep more
 405          * shadow entries than possible pages on the active list,
 406          * since refault distances bigger than that are dismissed.
 407          *
 408          * The size of the active list converges toward 100% of
 409          * overall page cache as memory grows, with only a tiny
 410          * inactive list. Assume the total cache size for that.
 411          *
 412          * Nodes might be sparsely populated, with only one shadow
 413          * entry in the extreme case. Obviously, we cannot keep one
 414          * node for every eligible shadow entry, so compromise on a
 415          * worst-case density of 1/8th. Below that, not all eligible
 416          * refaults can be detected anymore.
 417          *
 418          * On 64-bit with 7 xa_nodes per page and 64 slots
 419          * each, this will reclaim shadow entries when they consume
 420          * ~1.8% of available memory:
 421          *
 422          * PAGE_SIZE / xa_nodes / node_entries * 8 / PAGE_SIZE
 423          */
 424 #ifdef CONFIG_MEMCG
 425         if (sc->memcg) {
 426                 struct lruvec *lruvec;
 427                 int i;
 428
 429                 lruvec = mem_cgroup_lruvec(NODE_DATA(sc->nid), sc->memcg);
 430                 for (pages = 0, i = 0; i < NR_LRU_LISTS; i++)
 431                         pages += lruvec_page_state_local(lruvec,
 432                                                          NR_LRU_BASE + i);
 433                 pages += lruvec_page_state_local(lruvec, NR_SLAB_RECLAIMABLE);
 434                 pages += lruvec_page_state_local(lruvec, NR_SLAB_UNRECLAIMABLE);
 435         } else
 436 #endif
 437                 pages = node_present_pages(sc->nid);
 438
 439         max_nodes = pages >> (XA_CHUNK_SHIFT - 3);
 440
 441         if (!nodes)
 442                 return SHRINK_EMPTY;
 443
 444         if (nodes <= max_nodes)
 445                 return 0;
 446         return nodes - max_nodes;
 447 }
 448
 449 static enum lru_status shadow_lru_isolate(struct list_head *item,
 450                                           struct list_lru_one *lru,
 451                                           spinlock_t *lru_lock,
 452                                           void *arg) __must_hold(lru_lock)
 453 {
 454         struct xa_node *node = container_of(item, struct xa_node, private_list);
 455         XA_STATE(xas, node->array, 0);
 456         struct address_space *mapping;
 457         int ret;
 458
 459         /*
 460          * Page cache insertions and deletions synchroneously maintain
 461          * the shadow node LRU under the i_pages lock and the
 462          * lru_lock.  Because the page cache tree is emptied before
 463          * the inode can be destroyed, holding the lru_lock pins any
 464          * address_space that has nodes on the LRU.
 465          *
 466          * We can then safely transition to the i_pages lock to
 467          * pin only the address_space of the particular node we want
 468          * to reclaim, take the node off-LRU, and drop the lru_lock.
 469          */
 470
 471         mapping = container_of(node->array, struct address_space, i_pages);
 472
 473         /* Coming from the list, invert the lock order */
 474         if (!xa_trylock(&mapping->i_pages)) {
 475                 spin_unlock_irq(lru_lock);
 476                 ret = LRU_RETRY;
 477                 goto out;
 478         }
 479
 480         list_lru_isolate(lru, item);
 481         __dec_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
 482
 483         spin_unlock(lru_lock);
 484
 485         /*
 486          * The nodes should only contain one or more shadow entries,
 487          * no pages, so we expect to be able to remove them all and
 488          * delete and free the empty node afterwards.
 489          */
 490         if (WARN_ON_ONCE(!node->nr_values))
 491                 goto out_invalid;
 492         if (WARN_ON_ONCE(node->count != node->nr_values))
 493                 goto out_invalid;
 494         mapping->nrexceptional -= node->nr_values;
 495         xas.xa_node = xa_parent_locked(&mapping->i_pages, node);
 496         xas.xa_offset = node->offset;
 497         xas.xa_shift = node->shift + XA_CHUNK_SHIFT;
 498         xas_set_update(&xas, workingset_update_node);
 499         /*
 500          * We could store a shadow entry here which was the minimum of the
 501          * shadow entries we were tracking ...
 502          */
 503         xas_store(&xas, NULL);
 504         __inc_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODERECLAIM);
 505
 506 out_invalid:
 507         xa_unlock_irq(&mapping->i_pages);
 508         ret = LRU_REMOVED_RETRY;
 509 out:
 510         cond_resched();
 511         spin_lock_irq(lru_lock);
 512         return ret;
 513 }
 514
 515 static unsigned long scan_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
 516                                        struct shrink_control *sc)
 517 {
 518         /* list_lru lock nests inside the IRQ-safe i_pages lock */
 519         return list_lru_shrink_walk_irq(&shadow_nodes, sc, shadow_lru_isolate,
 520                                         NULL);
 521 }
 522
 523 static struct shrinker workingset_shadow_shrinker = {
 524         .count_objects = count_shadow_nodes,
 525         .scan_objects = scan_shadow_nodes,
 526         .seeks = 0, /* ->count reports only fully expendable nodes */
 527         .flags = SHRINKER_NUMA_AWARE | SHRINKER_MEMCG_AWARE,
 528 };
 529
 530 /*
 531  * Our list_lru->lock is IRQ-safe as it nests inside the IRQ-safe
 532  * i_pages lock.
 533  */
 534 static struct lock_class_key shadow_nodes_key;
 535
 536 static int __init workingset_init(void)
 537 {
 538         unsigned int timestamp_bits;
 539         unsigned int max_order;
 540         int ret;
 541
 542         BUILD_BUG_ON(BITS_PER_LONG < EVICTION_SHIFT);
 543         /*
 544          * Calculate the eviction bucket size to cover the longest
 545          * actionable refault distance, which is currently half of
 546          * memory (totalram_pages/2). However, memory hotplug may add
 547          * some more pages at runtime, so keep working with up to
 548          * double the initial memory by using totalram_pages as-is.
 549          */
 550         timestamp_bits = BITS_PER_LONG - EVICTION_SHIFT;
 551         max_order = fls_long(totalram_pages() - 1);
 552         if (max_order > timestamp_bits)
 553                 bucket_order = max_order - timestamp_bits;
 554         pr_info("workingset: timestamp_bits=%d max_order=%d bucket_order=%u\n",
 555                timestamp_bits, max_order, bucket_order);
 556
 557         ret = prealloc_shrinker(&workingset_shadow_shrinker);
 558         if (ret)
 559                 goto err;
 560         ret = __list_lru_init(&shadow_nodes, true, &shadow_nodes_key,
 561                               &workingset_shadow_shrinker);
 562         if (ret)
 563                 goto err_list_lru;
 564         register_shrinker_prepared(&workingset_shadow_shrinker);
 565         return 0;
 566 err_list_lru:
 567         free_prealloced_shrinker(&workingset_shadow_shrinker);
 568 err:
 569         return ret;
 570 }
 571 module_init(workingset_init);