Merge tag 'block-5.14-2021-08-07' of git://git.kernel.dk/linux-block
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / vm / hmm.rst
1 .. _hmm:
2
3 =====================================
4 Heterogeneous Memory Management (HMM)
5 =====================================
6
7 Provide infrastructure and helpers to integrate non-conventional memory (device
8 memory like GPU on board memory) into regular kernel path, with the cornerstone
9 of this being specialized struct page for such memory (see sections 5 to 7 of
10 this document).
11
12 HMM also provides optional helpers for SVM (Share Virtual Memory), i.e.,
13 allowing a device to transparently access program addresses coherently with
14 the CPU meaning that any valid pointer on the CPU is also a valid pointer
15 for the device. This is becoming mandatory to simplify the use of advanced
16 heterogeneous computing where GPU, DSP, or FPGA are used to perform various
17 computations on behalf of a process.
18
19 This document is divided as follows: in the first section I expose the problems
20 related to using device specific memory allocators. In the second section, I
21 expose the hardware limitations that are inherent to many platforms. The third
22 section gives an overview of the HMM design. The fourth section explains how
23 CPU page-table mirroring works and the purpose of HMM in this context. The
24 fifth section deals with how device memory is represented inside the kernel.
25 Finally, the last section presents a new migration helper that allows
26 leveraging the device DMA engine.
27
28 .. contents:: :local:
29
30 Problems of using a device specific memory allocator
31 ====================================================
32
33 Devices with a large amount of on board memory (several gigabytes) like GPUs
34 have historically managed their memory through dedicated driver specific APIs.
35 This creates a disconnect between memory allocated and managed by a device
36 driver and regular application memory (private anonymous, shared memory, or
37 regular file backed memory). From here on I will refer to this aspect as split
38 address space. I use shared address space to refer to the opposite situation:
39 i.e., one in which any application memory region can be used by a device
40 transparently.
41
42 Split address space happens because devices can only access memory allocated
43 through a device specific API. This implies that all memory objects in a program
44 are not equal from the device point of view which complicates large programs
45 that rely on a wide set of libraries.
46
47 Concretely, this means that code that wants to leverage devices like GPUs needs
48 to copy objects between generically allocated memory (malloc, mmap private, mmap
49 share) and memory allocated through the device driver API (this still ends up
50 with an mmap but of the device file).
51
52 For flat data sets (array, grid, image, ...) this isn't too hard to achieve but
53 for complex data sets (list, tree, ...) it's hard to get right. Duplicating a
54 complex data set needs to re-map all the pointer relations between each of its
55 elements. This is error prone and programs get harder to debug because of the
56 duplicate data set and addresses.
57
58 Split address space also means that libraries cannot transparently use data
59 they are getting from the core program or another library and thus each library
60 might have to duplicate its input data set using the device specific memory
61 allocator. Large projects suffer from this and waste resources because of the
62 various memory copies.
63
64 Duplicating each library API to accept as input or output memory allocated by
65 each device specific allocator is not a viable option. It would lead to a
66 combinatorial explosion in the library entry points.
67
68 Finally, with the advance of high level language constructs (in C++ but in
69 other languages too) it is now possible for the compiler to leverage GPUs and
70 other devices without programmer knowledge. Some compiler identified patterns
71 are only do-able with a shared address space. It is also more reasonable to use
72 a shared address space for all other patterns.
73
74
75 I/O bus, device memory characteristics
76 ======================================
77
78 I/O buses cripple shared address spaces due to a few limitations. Most I/O
79 buses only allow basic memory access from device to main memory; even cache
80 coherency is often optional. Access to device memory from a CPU is even more
81 limited. More often than not, it is not cache coherent.
82
83 If we only consider the PCIE bus, then a device can access main memory (often
84 through an IOMMU) and be cache coherent with the CPUs. However, it only allows
85 a limited set of atomic operations from the device on main memory. This is worse
86 in the other direction: the CPU can only access a limited range of the device
87 memory and cannot perform atomic operations on it. Thus device memory cannot
88 be considered the same as regular memory from the kernel point of view.
89
90 Another crippling factor is the limited bandwidth (~32GBytes/s with PCIE 4.0
91 and 16 lanes). This is 33 times less than the fastest GPU memory (1 TBytes/s).
92 The final limitation is latency. Access to main memory from the device has an
93 order of magnitude higher latency than when the device accesses its own memory.
94
95 Some platforms are developing new I/O buses or additions/modifications to PCIE
96 to address some of these limitations (OpenCAPI, CCIX). They mainly allow
97 two-way cache coherency between CPU and device and allow all atomic operations the
98 architecture supports. Sadly, not all platforms are following this trend and
99 some major architectures are left without hardware solutions to these problems.
100
101 So for shared address space to make sense, not only must we allow devices to
102 access any memory but we must also permit any memory to be migrated to device
103 memory while the device is using it (blocking CPU access while it happens).
104
105
106 Shared address space and migration
107 ==================================
108
109 HMM intends to provide two main features. The first one is to share the address
110 space by duplicating the CPU page table in the device page table so the same
111 address points to the same physical memory for any valid main memory address in
112 the process address space.
113
114 To achieve this, HMM offers a set of helpers to populate the device page table
115 while keeping track of CPU page table updates. Device page table updates are
116 not as easy as CPU page table updates. To update the device page table, you must
117 allocate a buffer (or use a pool of pre-allocated buffers) and write GPU
118 specific commands in it to perform the update (unmap, cache invalidations, and
119 flush, ...). This cannot be done through common code for all devices. Hence
120 why HMM provides helpers to factor out everything that can be while leaving the
121 hardware specific details to the device driver.
122
123 The second mechanism HMM provides is a new kind of ZONE_DEVICE memory that
124 allows allocating a struct page for each page of device memory. Those pages
125 are special because the CPU cannot map them. However, they allow migrating
126 main memory to device memory using existing migration mechanisms and everything
127 looks like a page that is swapped out to disk from the CPU point of view. Using a
128 struct page gives the easiest and cleanest integration with existing mm
129 mechanisms. Here again, HMM only provides helpers, first to hotplug new ZONE_DEVICE
130 memory for the device memory and second to perform migration. Policy decisions
131 of what and when to migrate is left to the device driver.
132
133 Note that any CPU access to a device page triggers a page fault and a migration
134 back to main memory. For example, when a page backing a given CPU address A is
135 migrated from a main memory page to a device page, then any CPU access to
136 address A triggers a page fault and initiates a migration back to main memory.
137
138 With these two features, HMM not only allows a device to mirror process address
139 space and keeps both CPU and device page tables synchronized, but also
140 leverages device memory by migrating the part of the data set that is actively being
141 used by the device.
142
143
144 Address space mirroring implementation and API
145 ==============================================
146
147 Address space mirroring's main objective is to allow duplication of a range of
148 CPU page table into a device page table; HMM helps keep both synchronized. A
149 device driver that wants to mirror a process address space must start with the
150 registration of a mmu_interval_notifier::
151
152  int mmu_interval_notifier_insert(struct mmu_interval_notifier *interval_sub,
153                                   struct mm_struct *mm, unsigned long start,
154                                   unsigned long length,
155                                   const struct mmu_interval_notifier_ops *ops);
156
157 During the ops->invalidate() callback the device driver must perform the
158 update action to the range (mark range read only, or fully unmap, etc.). The
159 device must complete the update before the driver callback returns.
160
161 When the device driver wants to populate a range of virtual addresses, it can
162 use::
163
164   int hmm_range_fault(struct hmm_range *range);
165
166 It will trigger a page fault on missing or read-only entries if write access is
167 requested (see below). Page faults use the generic mm page fault code path just
168 like a CPU page fault.
169
170 Both functions copy CPU page table entries into their pfns array argument. Each
171 entry in that array corresponds to an address in the virtual range. HMM
172 provides a set of flags to help the driver identify special CPU page table
173 entries.
174
175 Locking within the sync_cpu_device_pagetables() callback is the most important
176 aspect the driver must respect in order to keep things properly synchronized.
177 The usage pattern is::
178
179  int driver_populate_range(...)
180  {
181       struct hmm_range range;
182       ...
183
184       range.notifier = &interval_sub;
185       range.start = ...;
186       range.end = ...;
187       range.hmm_pfns = ...;
188
189       if (!mmget_not_zero(interval_sub->notifier.mm))
190           return -EFAULT;
191
192  again:
193       range.notifier_seq = mmu_interval_read_begin(&interval_sub);
194       mmap_read_lock(mm);
195       ret = hmm_range_fault(&range);
196       if (ret) {
197           mmap_read_unlock(mm);
198           if (ret == -EBUSY)
199                  goto again;
200           return ret;
201       }
202       mmap_read_unlock(mm);
203
204       take_lock(driver->update);
205       if (mmu_interval_read_retry(&ni, range.notifier_seq) {
206           release_lock(driver->update);
207           goto again;
208       }
209
210       /* Use pfns array content to update device page table,
211        * under the update lock */
212
213       release_lock(driver->update);
214       return 0;
215  }
216
217 The driver->update lock is the same lock that the driver takes inside its
218 invalidate() callback. That lock must be held before calling
219 mmu_interval_read_retry() to avoid any race with a concurrent CPU page table
220 update.
221
222 Leverage default_flags and pfn_flags_mask
223 =========================================
224
225 The hmm_range struct has 2 fields, default_flags and pfn_flags_mask, that specify
226 fault or snapshot policy for the whole range instead of having to set them
227 for each entry in the pfns array.
228
229 For instance if the device driver wants pages for a range with at least read
230 permission, it sets::
231
232     range->default_flags = HMM_PFN_REQ_FAULT;
233     range->pfn_flags_mask = 0;
234
235 and calls hmm_range_fault() as described above. This will fill fault all pages
236 in the range with at least read permission.
237
238 Now let's say the driver wants to do the same except for one page in the range for
239 which it wants to have write permission. Now driver set::
240
241     range->default_flags = HMM_PFN_REQ_FAULT;
242     range->pfn_flags_mask = HMM_PFN_REQ_WRITE;
243     range->pfns[index_of_write] = HMM_PFN_REQ_WRITE;
244
245 With this, HMM will fault in all pages with at least read (i.e., valid) and for the
246 address == range->start + (index_of_write << PAGE_SHIFT) it will fault with
247 write permission i.e., if the CPU pte does not have write permission set then HMM
248 will call handle_mm_fault().
249
250 After hmm_range_fault completes the flag bits are set to the current state of
251 the page tables, ie HMM_PFN_VALID | HMM_PFN_WRITE will be set if the page is
252 writable.
253
254
255 Represent and manage device memory from core kernel point of view
256 =================================================================
257
258 Several different designs were tried to support device memory. The first one
259 used a device specific data structure to keep information about migrated memory
260 and HMM hooked itself in various places of mm code to handle any access to
261 addresses that were backed by device memory. It turns out that this ended up
262 replicating most of the fields of struct page and also needed many kernel code
263 paths to be updated to understand this new kind of memory.
264
265 Most kernel code paths never try to access the memory behind a page
266 but only care about struct page contents. Because of this, HMM switched to
267 directly using struct page for device memory which left most kernel code paths
268 unaware of the difference. We only need to make sure that no one ever tries to
269 map those pages from the CPU side.
270
271 Migration to and from device memory
272 ===================================
273
274 Because the CPU cannot access device memory directly, the device driver must
275 use hardware DMA or device specific load/store instructions to migrate data.
276 The migrate_vma_setup(), migrate_vma_pages(), and migrate_vma_finalize()
277 functions are designed to make drivers easier to write and to centralize common
278 code across drivers.
279
280 Before migrating pages to device private memory, special device private
281 ``struct page`` need to be created. These will be used as special "swap"
282 page table entries so that a CPU process will fault if it tries to access
283 a page that has been migrated to device private memory.
284
285 These can be allocated and freed with::
286
287     struct resource *res;
288     struct dev_pagemap pagemap;
289
290     res = request_free_mem_region(&iomem_resource, /* number of bytes */,
291                                   "name of driver resource");
292     pagemap.type = MEMORY_DEVICE_PRIVATE;
293     pagemap.range.start = res->start;
294     pagemap.range.end = res->end;
295     pagemap.nr_range = 1;
296     pagemap.ops = &device_devmem_ops;
297     memremap_pages(&pagemap, numa_node_id());
298
299     memunmap_pages(&pagemap);
300     release_mem_region(pagemap.range.start, range_len(&pagemap.range));
301
302 There are also devm_request_free_mem_region(), devm_memremap_pages(),
303 devm_memunmap_pages(), and devm_release_mem_region() when the resources can
304 be tied to a ``struct device``.
305
306 The overall migration steps are similar to migrating NUMA pages within system
307 memory (see :ref:`Page migration <page_migration>`) but the steps are split
308 between device driver specific code and shared common code:
309
310 1. ``mmap_read_lock()``
311
312    The device driver has to pass a ``struct vm_area_struct`` to
313    migrate_vma_setup() so the mmap_read_lock() or mmap_write_lock() needs to
314    be held for the duration of the migration.
315
316 2. ``migrate_vma_setup(struct migrate_vma *args)``
317
318    The device driver initializes the ``struct migrate_vma`` fields and passes
319    the pointer to migrate_vma_setup(). The ``args->flags`` field is used to
320    filter which source pages should be migrated. For example, setting
321    ``MIGRATE_VMA_SELECT_SYSTEM`` will only migrate system memory and
322    ``MIGRATE_VMA_SELECT_DEVICE_PRIVATE`` will only migrate pages residing in
323    device private memory. If the latter flag is set, the ``args->pgmap_owner``
324    field is used to identify device private pages owned by the driver. This
325    avoids trying to migrate device private pages residing in other devices.
326    Currently only anonymous private VMA ranges can be migrated to or from
327    system memory and device private memory.
328
329    One of the first steps migrate_vma_setup() does is to invalidate other
330    device's MMUs with the ``mmu_notifier_invalidate_range_start(()`` and
331    ``mmu_notifier_invalidate_range_end()`` calls around the page table
332    walks to fill in the ``args->src`` array with PFNs to be migrated.
333    The ``invalidate_range_start()`` callback is passed a
334    ``struct mmu_notifier_range`` with the ``event`` field set to
335    ``MMU_NOTIFY_MIGRATE`` and the ``owner`` field set to
336    the ``args->pgmap_owner`` field passed to migrate_vma_setup(). This is
337    allows the device driver to skip the invalidation callback and only
338    invalidate device private MMU mappings that are actually migrating.
339    This is explained more in the next section.
340
341    While walking the page tables, a ``pte_none()`` or ``is_zero_pfn()``
342    entry results in a valid "zero" PFN stored in the ``args->src`` array.
343    This lets the driver allocate device private memory and clear it instead
344    of copying a page of zeros. Valid PTE entries to system memory or
345    device private struct pages will be locked with ``lock_page()``, isolated
346    from the LRU (if system memory since device private pages are not on
347    the LRU), unmapped from the process, and a special migration PTE is
348    inserted in place of the original PTE.
349    migrate_vma_setup() also clears the ``args->dst`` array.
350
351 3. The device driver allocates destination pages and copies source pages to
352    destination pages.
353
354    The driver checks each ``src`` entry to see if the ``MIGRATE_PFN_MIGRATE``
355    bit is set and skips entries that are not migrating. The device driver
356    can also choose to skip migrating a page by not filling in the ``dst``
357    array for that page.
358
359    The driver then allocates either a device private struct page or a
360    system memory page, locks the page with ``lock_page()``, and fills in the
361    ``dst`` array entry with::
362
363      dst[i] = migrate_pfn(page_to_pfn(dpage)) | MIGRATE_PFN_LOCKED;
364
365    Now that the driver knows that this page is being migrated, it can
366    invalidate device private MMU mappings and copy device private memory
367    to system memory or another device private page. The core Linux kernel
368    handles CPU page table invalidations so the device driver only has to
369    invalidate its own MMU mappings.
370
371    The driver can use ``migrate_pfn_to_page(src[i])`` to get the
372    ``struct page`` of the source and either copy the source page to the
373    destination or clear the destination device private memory if the pointer
374    is ``NULL`` meaning the source page was not populated in system memory.
375
376 4. ``migrate_vma_pages()``
377
378    This step is where the migration is actually "committed".
379
380    If the source page was a ``pte_none()`` or ``is_zero_pfn()`` page, this
381    is where the newly allocated page is inserted into the CPU's page table.
382    This can fail if a CPU thread faults on the same page. However, the page
383    table is locked and only one of the new pages will be inserted.
384    The device driver will see that the ``MIGRATE_PFN_MIGRATE`` bit is cleared
385    if it loses the race.
386
387    If the source page was locked, isolated, etc. the source ``struct page``
388    information is now copied to destination ``struct page`` finalizing the
389    migration on the CPU side.
390
391 5. Device driver updates device MMU page tables for pages still migrating,
392    rolling back pages not migrating.
393
394    If the ``src`` entry still has ``MIGRATE_PFN_MIGRATE`` bit set, the device
395    driver can update the device MMU and set the write enable bit if the
396    ``MIGRATE_PFN_WRITE`` bit is set.
397
398 6. ``migrate_vma_finalize()``
399
400    This step replaces the special migration page table entry with the new
401    page's page table entry and releases the reference to the source and
402    destination ``struct page``.
403
404 7. ``mmap_read_unlock()``
405
406    The lock can now be released.
407
408 Exclusive access memory
409 =======================
410
411 Some devices have features such as atomic PTE bits that can be used to implement
412 atomic access to system memory. To support atomic operations to a shared virtual
413 memory page such a device needs access to that page which is exclusive of any
414 userspace access from the CPU. The ``make_device_exclusive_range()`` function
415 can be used to make a memory range inaccessible from userspace.
416
417 This replaces all mappings for pages in the given range with special swap
418 entries. Any attempt to access the swap entry results in a fault which is
419 resovled by replacing the entry with the original mapping. A driver gets
420 notified that the mapping has been changed by MMU notifiers, after which point
421 it will no longer have exclusive access to the page. Exclusive access is
422 guranteed to last until the driver drops the page lock and page reference, at
423 which point any CPU faults on the page may proceed as described.
424
425 Memory cgroup (memcg) and rss accounting
426 ========================================
427
428 For now, device memory is accounted as any regular page in rss counters (either
429 anonymous if device page is used for anonymous, file if device page is used for
430 file backed page, or shmem if device page is used for shared memory). This is a
431 deliberate choice to keep existing applications, that might start using device
432 memory without knowing about it, running unimpacted.
433
434 A drawback is that the OOM killer might kill an application using a lot of
435 device memory and not a lot of regular system memory and thus not freeing much
436 system memory. We want to gather more real world experience on how applications
437 and system react under memory pressure in the presence of device memory before
438 deciding to account device memory differently.
439
440
441 Same decision was made for memory cgroup. Device memory pages are accounted
442 against same memory cgroup a regular page would be accounted to. This does
443 simplify migration to and from device memory. This also means that migration
444 back from device memory to regular memory cannot fail because it would
445 go above memory cgroup limit. We might revisit this choice latter on once we
446 get more experience in how device memory is used and its impact on memory
447 resource control.
448
449
450 Note that device memory can never be pinned by a device driver nor through GUP
451 and thus such memory is always free upon process exit. Or when last reference
452 is dropped in case of shared memory or file backed memory.