Merge branches 'pm-cpufreq', 'pm-sleep' and 'pm-em'
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / admin-guide / mm / numa_memory_policy.rst
1 .. _numa_memory_policy:
2
3 ==================
4 NUMA Memory Policy
5 ==================
6
7 What is NUMA Memory Policy?
8 ============================
9
10 In the Linux kernel, "memory policy" determines from which node the kernel will
11 allocate memory in a NUMA system or in an emulated NUMA system.  Linux has
12 supported platforms with Non-Uniform Memory Access architectures since 2.4.?.
13 The current memory policy support was added to Linux 2.6 around May 2004.  This
14 document attempts to describe the concepts and APIs of the 2.6 memory policy
15 support.
16
17 Memory policies should not be confused with cpusets
18 (``Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cpusets.rst``)
19 which is an administrative mechanism for restricting the nodes from which
20 memory may be allocated by a set of processes. Memory policies are a
21 programming interface that a NUMA-aware application can take advantage of.  When
22 both cpusets and policies are applied to a task, the restrictions of the cpuset
23 takes priority.  See :ref:`Memory Policies and cpusets <mem_pol_and_cpusets>`
24 below for more details.
25
26 Memory Policy Concepts
27 ======================
28
29 Scope of Memory Policies
30 ------------------------
31
32 The Linux kernel supports _scopes_ of memory policy, described here from
33 most general to most specific:
34
35 System Default Policy
36         this policy is "hard coded" into the kernel.  It is the policy
37         that governs all page allocations that aren't controlled by
38         one of the more specific policy scopes discussed below.  When
39         the system is "up and running", the system default policy will
40         use "local allocation" described below.  However, during boot
41         up, the system default policy will be set to interleave
42         allocations across all nodes with "sufficient" memory, so as
43         not to overload the initial boot node with boot-time
44         allocations.
45
46 Task/Process Policy
47         this is an optional, per-task policy.  When defined for a
48         specific task, this policy controls all page allocations made
49         by or on behalf of the task that aren't controlled by a more
50         specific scope. If a task does not define a task policy, then
51         all page allocations that would have been controlled by the
52         task policy "fall back" to the System Default Policy.
53
54         The task policy applies to the entire address space of a task. Thus,
55         it is inheritable, and indeed is inherited, across both fork()
56         [clone() w/o the CLONE_VM flag] and exec*().  This allows a parent task
57         to establish the task policy for a child task exec()'d from an
58         executable image that has no awareness of memory policy.  See the
59         :ref:`Memory Policy APIs <memory_policy_apis>` section,
60         below, for an overview of the system call
61         that a task may use to set/change its task/process policy.
62
63         In a multi-threaded task, task policies apply only to the thread
64         [Linux kernel task] that installs the policy and any threads
65         subsequently created by that thread.  Any sibling threads existing
66         at the time a new task policy is installed retain their current
67         policy.
68
69         A task policy applies only to pages allocated after the policy is
70         installed.  Any pages already faulted in by the task when the task
71         changes its task policy remain where they were allocated based on
72         the policy at the time they were allocated.
73
74 .. _vma_policy:
75
76 VMA Policy
77         A "VMA" or "Virtual Memory Area" refers to a range of a task's
78         virtual address space.  A task may define a specific policy for a range
79         of its virtual address space.   See the
80         :ref:`Memory Policy APIs <memory_policy_apis>` section,
81         below, for an overview of the mbind() system call used to set a VMA
82         policy.
83
84         A VMA policy will govern the allocation of pages that back
85         this region of the address space.  Any regions of the task's
86         address space that don't have an explicit VMA policy will fall
87         back to the task policy, which may itself fall back to the
88         System Default Policy.
89
90         VMA policies have a few complicating details:
91
92         * VMA policy applies ONLY to anonymous pages.  These include
93           pages allocated for anonymous segments, such as the task
94           stack and heap, and any regions of the address space
95           mmap()ed with the MAP_ANONYMOUS flag.  If a VMA policy is
96           applied to a file mapping, it will be ignored if the mapping
97           used the MAP_SHARED flag.  If the file mapping used the
98           MAP_PRIVATE flag, the VMA policy will only be applied when
99           an anonymous page is allocated on an attempt to write to the
100           mapping-- i.e., at Copy-On-Write.
101
102         * VMA policies are shared between all tasks that share a
103           virtual address space--a.k.a. threads--independent of when
104           the policy is installed; and they are inherited across
105           fork().  However, because VMA policies refer to a specific
106           region of a task's address space, and because the address
107           space is discarded and recreated on exec*(), VMA policies
108           are NOT inheritable across exec().  Thus, only NUMA-aware
109           applications may use VMA policies.
110
111         * A task may install a new VMA policy on a sub-range of a
112           previously mmap()ed region.  When this happens, Linux splits
113           the existing virtual memory area into 2 or 3 VMAs, each with
114           it's own policy.
115
116         * By default, VMA policy applies only to pages allocated after
117           the policy is installed.  Any pages already faulted into the
118           VMA range remain where they were allocated based on the
119           policy at the time they were allocated.  However, since
120           2.6.16, Linux supports page migration via the mbind() system
121           call, so that page contents can be moved to match a newly
122           installed policy.
123
124 Shared Policy
125         Conceptually, shared policies apply to "memory objects" mapped
126         shared into one or more tasks' distinct address spaces.  An
127         application installs shared policies the same way as VMA
128         policies--using the mbind() system call specifying a range of
129         virtual addresses that map the shared object.  However, unlike
130         VMA policies, which can be considered to be an attribute of a
131         range of a task's address space, shared policies apply
132         directly to the shared object.  Thus, all tasks that attach to
133         the object share the policy, and all pages allocated for the
134         shared object, by any task, will obey the shared policy.
135
136         As of 2.6.22, only shared memory segments, created by shmget() or
137         mmap(MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED), support shared policy.  When shared
138         policy support was added to Linux, the associated data structures were
139         added to hugetlbfs shmem segments.  At the time, hugetlbfs did not
140         support allocation at fault time--a.k.a lazy allocation--so hugetlbfs
141         shmem segments were never "hooked up" to the shared policy support.
142         Although hugetlbfs segments now support lazy allocation, their support
143         for shared policy has not been completed.
144
145         As mentioned above in :ref:`VMA policies <vma_policy>` section,
146         allocations of page cache pages for regular files mmap()ed
147         with MAP_SHARED ignore any VMA policy installed on the virtual
148         address range backed by the shared file mapping.  Rather,
149         shared page cache pages, including pages backing private
150         mappings that have not yet been written by the task, follow
151         task policy, if any, else System Default Policy.
152
153         The shared policy infrastructure supports different policies on subset
154         ranges of the shared object.  However, Linux still splits the VMA of
155         the task that installs the policy for each range of distinct policy.
156         Thus, different tasks that attach to a shared memory segment can have
157         different VMA configurations mapping that one shared object.  This
158         can be seen by examining the /proc/<pid>/numa_maps of tasks sharing
159         a shared memory region, when one task has installed shared policy on
160         one or more ranges of the region.
161
162 Components of Memory Policies
163 -----------------------------
164
165 A NUMA memory policy consists of a "mode", optional mode flags, and
166 an optional set of nodes.  The mode determines the behavior of the
167 policy, the optional mode flags determine the behavior of the mode,
168 and the optional set of nodes can be viewed as the arguments to the
169 policy behavior.
170
171 Internally, memory policies are implemented by a reference counted
172 structure, struct mempolicy.  Details of this structure will be
173 discussed in context, below, as required to explain the behavior.
174
175 NUMA memory policy supports the following 4 behavioral modes:
176
177 Default Mode--MPOL_DEFAULT
178         This mode is only used in the memory policy APIs.  Internally,
179         MPOL_DEFAULT is converted to the NULL memory policy in all
180         policy scopes.  Any existing non-default policy will simply be
181         removed when MPOL_DEFAULT is specified.  As a result,
182         MPOL_DEFAULT means "fall back to the next most specific policy
183         scope."
184
185         For example, a NULL or default task policy will fall back to the
186         system default policy.  A NULL or default vma policy will fall
187         back to the task policy.
188
189         When specified in one of the memory policy APIs, the Default mode
190         does not use the optional set of nodes.
191
192         It is an error for the set of nodes specified for this policy to
193         be non-empty.
194
195 MPOL_BIND
196         This mode specifies that memory must come from the set of
197         nodes specified by the policy.  Memory will be allocated from
198         the node in the set with sufficient free memory that is
199         closest to the node where the allocation takes place.
200
201 MPOL_PREFERRED
202         This mode specifies that the allocation should be attempted
203         from the single node specified in the policy.  If that
204         allocation fails, the kernel will search other nodes, in order
205         of increasing distance from the preferred node based on
206         information provided by the platform firmware.
207
208         Internally, the Preferred policy uses a single node--the
209         preferred_node member of struct mempolicy.  When the internal
210         mode flag MPOL_F_LOCAL is set, the preferred_node is ignored
211         and the policy is interpreted as local allocation.  "Local"
212         allocation policy can be viewed as a Preferred policy that
213         starts at the node containing the cpu where the allocation
214         takes place.
215
216         It is possible for the user to specify that local allocation
217         is always preferred by passing an empty nodemask with this
218         mode.  If an empty nodemask is passed, the policy cannot use
219         the MPOL_F_STATIC_NODES or MPOL_F_RELATIVE_NODES flags
220         described below.
221
222 MPOL_INTERLEAVED
223         This mode specifies that page allocations be interleaved, on a
224         page granularity, across the nodes specified in the policy.
225         This mode also behaves slightly differently, based on the
226         context where it is used:
227
228         For allocation of anonymous pages and shared memory pages,
229         Interleave mode indexes the set of nodes specified by the
230         policy using the page offset of the faulting address into the
231         segment [VMA] containing the address modulo the number of
232         nodes specified by the policy.  It then attempts to allocate a
233         page, starting at the selected node, as if the node had been
234         specified by a Preferred policy or had been selected by a
235         local allocation.  That is, allocation will follow the per
236         node zonelist.
237
238         For allocation of page cache pages, Interleave mode indexes
239         the set of nodes specified by the policy using a node counter
240         maintained per task.  This counter wraps around to the lowest
241         specified node after it reaches the highest specified node.
242         This will tend to spread the pages out over the nodes
243         specified by the policy based on the order in which they are
244         allocated, rather than based on any page offset into an
245         address range or file.  During system boot up, the temporary
246         interleaved system default policy works in this mode.
247
248 MPOL_PREFERRED_MANY
249         This mode specifices that the allocation should be preferrably
250         satisfied from the nodemask specified in the policy. If there is
251         a memory pressure on all nodes in the nodemask, the allocation
252         can fall back to all existing numa nodes. This is effectively
253         MPOL_PREFERRED allowed for a mask rather than a single node.
254
255 NUMA memory policy supports the following optional mode flags:
256
257 MPOL_F_STATIC_NODES
258         This flag specifies that the nodemask passed by
259         the user should not be remapped if the task or VMA's set of allowed
260         nodes changes after the memory policy has been defined.
261
262         Without this flag, any time a mempolicy is rebound because of a
263         change in the set of allowed nodes, the preferred nodemask (Preferred
264         Many), preferred node (Preferred) or nodemask (Bind, Interleave) is
265         remapped to the new set of allowed nodes.  This may result in nodes
266         being used that were previously undesired.
267
268         With this flag, if the user-specified nodes overlap with the
269         nodes allowed by the task's cpuset, then the memory policy is
270         applied to their intersection.  If the two sets of nodes do not
271         overlap, the Default policy is used.
272
273         For example, consider a task that is attached to a cpuset with
274         mems 1-3 that sets an Interleave policy over the same set.  If
275         the cpuset's mems change to 3-5, the Interleave will now occur
276         over nodes 3, 4, and 5.  With this flag, however, since only node
277         3 is allowed from the user's nodemask, the "interleave" only
278         occurs over that node.  If no nodes from the user's nodemask are
279         now allowed, the Default behavior is used.
280
281         MPOL_F_STATIC_NODES cannot be combined with the
282         MPOL_F_RELATIVE_NODES flag.  It also cannot be used for
283         MPOL_PREFERRED policies that were created with an empty nodemask
284         (local allocation).
285
286 MPOL_F_RELATIVE_NODES
287         This flag specifies that the nodemask passed
288         by the user will be mapped relative to the set of the task or VMA's
289         set of allowed nodes.  The kernel stores the user-passed nodemask,
290         and if the allowed nodes changes, then that original nodemask will
291         be remapped relative to the new set of allowed nodes.
292
293         Without this flag (and without MPOL_F_STATIC_NODES), anytime a
294         mempolicy is rebound because of a change in the set of allowed
295         nodes, the node (Preferred) or nodemask (Bind, Interleave) is
296         remapped to the new set of allowed nodes.  That remap may not
297         preserve the relative nature of the user's passed nodemask to its
298         set of allowed nodes upon successive rebinds: a nodemask of
299         1,3,5 may be remapped to 7-9 and then to 1-3 if the set of
300         allowed nodes is restored to its original state.
301
302         With this flag, the remap is done so that the node numbers from
303         the user's passed nodemask are relative to the set of allowed
304         nodes.  In other words, if nodes 0, 2, and 4 are set in the user's
305         nodemask, the policy will be effected over the first (and in the
306         Bind or Interleave case, the third and fifth) nodes in the set of
307         allowed nodes.  The nodemask passed by the user represents nodes
308         relative to task or VMA's set of allowed nodes.
309
310         If the user's nodemask includes nodes that are outside the range
311         of the new set of allowed nodes (for example, node 5 is set in
312         the user's nodemask when the set of allowed nodes is only 0-3),
313         then the remap wraps around to the beginning of the nodemask and,
314         if not already set, sets the node in the mempolicy nodemask.
315
316         For example, consider a task that is attached to a cpuset with
317         mems 2-5 that sets an Interleave policy over the same set with
318         MPOL_F_RELATIVE_NODES.  If the cpuset's mems change to 3-7, the
319         interleave now occurs over nodes 3,5-7.  If the cpuset's mems
320         then change to 0,2-3,5, then the interleave occurs over nodes
321         0,2-3,5.
322
323         Thanks to the consistent remapping, applications preparing
324         nodemasks to specify memory policies using this flag should
325         disregard their current, actual cpuset imposed memory placement
326         and prepare the nodemask as if they were always located on
327         memory nodes 0 to N-1, where N is the number of memory nodes the
328         policy is intended to manage.  Let the kernel then remap to the
329         set of memory nodes allowed by the task's cpuset, as that may
330         change over time.
331
332         MPOL_F_RELATIVE_NODES cannot be combined with the
333         MPOL_F_STATIC_NODES flag.  It also cannot be used for
334         MPOL_PREFERRED policies that were created with an empty nodemask
335         (local allocation).
336
337 Memory Policy Reference Counting
338 ================================
339
340 To resolve use/free races, struct mempolicy contains an atomic reference
341 count field.  Internal interfaces, mpol_get()/mpol_put() increment and
342 decrement this reference count, respectively.  mpol_put() will only free
343 the structure back to the mempolicy kmem cache when the reference count
344 goes to zero.
345
346 When a new memory policy is allocated, its reference count is initialized
347 to '1', representing the reference held by the task that is installing the
348 new policy.  When a pointer to a memory policy structure is stored in another
349 structure, another reference is added, as the task's reference will be dropped
350 on completion of the policy installation.
351
352 During run-time "usage" of the policy, we attempt to minimize atomic operations
353 on the reference count, as this can lead to cache lines bouncing between cpus
354 and NUMA nodes.  "Usage" here means one of the following:
355
356 1) querying of the policy, either by the task itself [using the get_mempolicy()
357    API discussed below] or by another task using the /proc/<pid>/numa_maps
358    interface.
359
360 2) examination of the policy to determine the policy mode and associated node
361    or node lists, if any, for page allocation.  This is considered a "hot
362    path".  Note that for MPOL_BIND, the "usage" extends across the entire
363    allocation process, which may sleep during page reclaimation, because the
364    BIND policy nodemask is used, by reference, to filter ineligible nodes.
365
366 We can avoid taking an extra reference during the usages listed above as
367 follows:
368
369 1) we never need to get/free the system default policy as this is never
370    changed nor freed, once the system is up and running.
371
372 2) for querying the policy, we do not need to take an extra reference on the
373    target task's task policy nor vma policies because we always acquire the
374    task's mm's mmap_lock for read during the query.  The set_mempolicy() and
375    mbind() APIs [see below] always acquire the mmap_lock for write when
376    installing or replacing task or vma policies.  Thus, there is no possibility
377    of a task or thread freeing a policy while another task or thread is
378    querying it.
379
380 3) Page allocation usage of task or vma policy occurs in the fault path where
381    we hold them mmap_lock for read.  Again, because replacing the task or vma
382    policy requires that the mmap_lock be held for write, the policy can't be
383    freed out from under us while we're using it for page allocation.
384
385 4) Shared policies require special consideration.  One task can replace a
386    shared memory policy while another task, with a distinct mmap_lock, is
387    querying or allocating a page based on the policy.  To resolve this
388    potential race, the shared policy infrastructure adds an extra reference
389    to the shared policy during lookup while holding a spin lock on the shared
390    policy management structure.  This requires that we drop this extra
391    reference when we're finished "using" the policy.  We must drop the
392    extra reference on shared policies in the same query/allocation paths
393    used for non-shared policies.  For this reason, shared policies are marked
394    as such, and the extra reference is dropped "conditionally"--i.e., only
395    for shared policies.
396
397    Because of this extra reference counting, and because we must lookup
398    shared policies in a tree structure under spinlock, shared policies are
399    more expensive to use in the page allocation path.  This is especially
400    true for shared policies on shared memory regions shared by tasks running
401    on different NUMA nodes.  This extra overhead can be avoided by always
402    falling back to task or system default policy for shared memory regions,
403    or by prefaulting the entire shared memory region into memory and locking
404    it down.  However, this might not be appropriate for all applications.
405
406 .. _memory_policy_apis:
407
408 Memory Policy APIs
409 ==================
410
411 Linux supports 3 system calls for controlling memory policy.  These APIS
412 always affect only the calling task, the calling task's address space, or
413 some shared object mapped into the calling task's address space.
414
415 .. note::
416    the headers that define these APIs and the parameter data types for
417    user space applications reside in a package that is not part of the
418    Linux kernel.  The kernel system call interfaces, with the 'sys\_'
419    prefix, are defined in <linux/syscalls.h>; the mode and flag
420    definitions are defined in <linux/mempolicy.h>.
421
422 Set [Task] Memory Policy::
423
424         long set_mempolicy(int mode, const unsigned long *nmask,
425                                         unsigned long maxnode);
426
427 Set's the calling task's "task/process memory policy" to mode
428 specified by the 'mode' argument and the set of nodes defined by
429 'nmask'.  'nmask' points to a bit mask of node ids containing at least
430 'maxnode' ids.  Optional mode flags may be passed by combining the
431 'mode' argument with the flag (for example: MPOL_INTERLEAVE |
432 MPOL_F_STATIC_NODES).
433
434 See the set_mempolicy(2) man page for more details
435
436
437 Get [Task] Memory Policy or Related Information::
438
439         long get_mempolicy(int *mode,
440                            const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
441                            void *addr, int flags);
442
443 Queries the "task/process memory policy" of the calling task, or the
444 policy or location of a specified virtual address, depending on the
445 'flags' argument.
446
447 See the get_mempolicy(2) man page for more details
448
449
450 Install VMA/Shared Policy for a Range of Task's Address Space::
451
452         long mbind(void *start, unsigned long len, int mode,
453                    const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
454                    unsigned flags);
455
456 mbind() installs the policy specified by (mode, nmask, maxnodes) as a
457 VMA policy for the range of the calling task's address space specified
458 by the 'start' and 'len' arguments.  Additional actions may be
459 requested via the 'flags' argument.
460
461 See the mbind(2) man page for more details.
462
463 Memory Policy Command Line Interface
464 ====================================
465
466 Although not strictly part of the Linux implementation of memory policy,
467 a command line tool, numactl(8), exists that allows one to:
468
469 + set the task policy for a specified program via set_mempolicy(2), fork(2) and
470   exec(2)
471
472 + set the shared policy for a shared memory segment via mbind(2)
473
474 The numactl(8) tool is packaged with the run-time version of the library
475 containing the memory policy system call wrappers.  Some distributions
476 package the headers and compile-time libraries in a separate development
477 package.
478
479 .. _mem_pol_and_cpusets:
480
481 Memory Policies and cpusets
482 ===========================
483
484 Memory policies work within cpusets as described above.  For memory policies
485 that require a node or set of nodes, the nodes are restricted to the set of
486 nodes whose memories are allowed by the cpuset constraints.  If the nodemask
487 specified for the policy contains nodes that are not allowed by the cpuset and
488 MPOL_F_RELATIVE_NODES is not used, the intersection of the set of nodes
489 specified for the policy and the set of nodes with memory is used.  If the
490 result is the empty set, the policy is considered invalid and cannot be
491 installed.  If MPOL_F_RELATIVE_NODES is used, the policy's nodes are mapped
492 onto and folded into the task's set of allowed nodes as previously described.
493
494 The interaction of memory policies and cpusets can be problematic when tasks
495 in two cpusets share access to a memory region, such as shared memory segments
496 created by shmget() of mmap() with the MAP_ANONYMOUS and MAP_SHARED flags, and
497 any of the tasks install shared policy on the region, only nodes whose
498 memories are allowed in both cpusets may be used in the policies.  Obtaining
499 this information requires "stepping outside" the memory policy APIs to use the
500 cpuset information and requires that one know in what cpusets other task might
501 be attaching to the shared region.  Furthermore, if the cpusets' allowed
502 memory sets are disjoint, "local" allocation is the only valid policy.