mm: memcg/slab: charge individual slab objects instead of pages
[linux-2.6-microblaze.git] / 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 LRU lists, a counter for inactive evictions and
160  * activations is maintained (node->nonresident_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_age_nonresident - age non-resident entries as LRU ages
218  * @memcg: the lruvec that was aged
219  * @nr_pages: the number of pages to count
220  *
221  * As in-memory pages are aged, non-resident pages need to be aged as
222  * well, in order for the refault distances later on to be comparable
223  * to the in-memory dimensions. This function allows reclaim and LRU
224  * operations to drive the non-resident aging along in parallel.
225  */
226 void workingset_age_nonresident(struct lruvec *lruvec, unsigned long nr_pages)
227 {
228         /*
229          * Reclaiming a cgroup means reclaiming all its children in a
230          * round-robin fashion. That means that each cgroup has an LRU
231          * order that is composed of the LRU orders of its child
232          * cgroups; and every page has an LRU position not just in the
233          * cgroup that owns it, but in all of that group's ancestors.
234          *
235          * So when the physical inactive list of a leaf cgroup ages,
236          * the virtual inactive lists of all its parents, including
237          * the root cgroup's, age as well.
238          */
239         do {
240                 atomic_long_add(nr_pages, &lruvec->nonresident_age);
241         } while ((lruvec = parent_lruvec(lruvec)));
242 }
243
244 /**
245  * workingset_eviction - note the eviction of a page from memory
246  * @target_memcg: the cgroup that is causing the reclaim
247  * @page: the page being evicted
248  *
249  * Returns a shadow entry to be stored in @page->mapping->i_pages in place
250  * of the evicted @page so that a later refault can be detected.
251  */
252 void *workingset_eviction(struct page *page, struct mem_cgroup *target_memcg)
253 {
254         struct pglist_data *pgdat = page_pgdat(page);
255         unsigned long eviction;
256         struct lruvec *lruvec;
257         int memcgid;
258
259         /* Page is fully exclusive and pins page->mem_cgroup */
260         VM_BUG_ON_PAGE(PageLRU(page), page);
261         VM_BUG_ON_PAGE(page_count(page), page);
262         VM_BUG_ON_PAGE(!PageLocked(page), page);
263
264         lruvec = mem_cgroup_lruvec(target_memcg, pgdat);
265         workingset_age_nonresident(lruvec, hpage_nr_pages(page));
266         /* XXX: target_memcg can be NULL, go through lruvec */
267         memcgid = mem_cgroup_id(lruvec_memcg(lruvec));
268         eviction = atomic_long_read(&lruvec->nonresident_age);
269         return pack_shadow(memcgid, pgdat, eviction, PageWorkingset(page));
270 }
271
272 /**
273  * workingset_refault - evaluate the refault of a previously evicted page
274  * @page: the freshly allocated replacement page
275  * @shadow: shadow entry of the evicted page
276  *
277  * Calculates and evaluates the refault distance of the previously
278  * evicted page in the context of the node and the memcg whose memory
279  * pressure caused the eviction.
280  */
281 void workingset_refault(struct page *page, void *shadow)
282 {
283         struct mem_cgroup *eviction_memcg;
284         struct lruvec *eviction_lruvec;
285         unsigned long refault_distance;
286         unsigned long workingset_size;
287         struct pglist_data *pgdat;
288         struct mem_cgroup *memcg;
289         unsigned long eviction;
290         struct lruvec *lruvec;
291         unsigned long refault;
292         bool workingset;
293         int memcgid;
294
295         unpack_shadow(shadow, &memcgid, &pgdat, &eviction, &workingset);
296
297         rcu_read_lock();
298         /*
299          * Look up the memcg associated with the stored ID. It might
300          * have been deleted since the page's eviction.
301          *
302          * Note that in rare events the ID could have been recycled
303          * for a new cgroup that refaults a shared page. This is
304          * impossible to tell from the available data. However, this
305          * should be a rare and limited disturbance, and activations
306          * are always speculative anyway. Ultimately, it's the aging
307          * algorithm's job to shake out the minimum access frequency
308          * for the active cache.
309          *
310          * XXX: On !CONFIG_MEMCG, this will always return NULL; it
311          * would be better if the root_mem_cgroup existed in all
312          * configurations instead.
313          */
314         eviction_memcg = mem_cgroup_from_id(memcgid);
315         if (!mem_cgroup_disabled() && !eviction_memcg)
316                 goto out;
317         eviction_lruvec = mem_cgroup_lruvec(eviction_memcg, pgdat);
318         refault = atomic_long_read(&eviction_lruvec->nonresident_age);
319
320         /*
321          * Calculate the refault distance
322          *
323          * The unsigned subtraction here gives an accurate distance
324          * across nonresident_age overflows in most cases. There is a
325          * special case: usually, shadow entries have a short lifetime
326          * and are either refaulted or reclaimed along with the inode
327          * before they get too old.  But it is not impossible for the
328          * nonresident_age to lap a shadow entry in the field, which
329          * can then result in a false small refault distance, leading
330          * to a false activation should this old entry actually
331          * refault again.  However, earlier kernels used to deactivate
332          * unconditionally with *every* reclaim invocation for the
333          * longest time, so the occasional inappropriate activation
334          * leading to pressure on the active list is not a problem.
335          */
336         refault_distance = (refault - eviction) & EVICTION_MASK;
337
338         /*
339          * The activation decision for this page is made at the level
340          * where the eviction occurred, as that is where the LRU order
341          * during page reclaim is being determined.
342          *
343          * However, the cgroup that will own the page is the one that
344          * is actually experiencing the refault event.
345          */
346         memcg = page_memcg(page);
347         lruvec = mem_cgroup_lruvec(memcg, pgdat);
348
349         inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_REFAULT);
350
351         /*
352          * Compare the distance to the existing workingset size. We
353          * don't activate pages that couldn't stay resident even if
354          * all the memory was available to the page cache. Whether
355          * cache can compete with anon or not depends on having swap.
356          */
357         workingset_size = lruvec_page_state(eviction_lruvec, NR_ACTIVE_FILE);
358         if (mem_cgroup_get_nr_swap_pages(memcg) > 0) {
359                 workingset_size += lruvec_page_state(eviction_lruvec,
360                                                      NR_INACTIVE_ANON);
361                 workingset_size += lruvec_page_state(eviction_lruvec,
362                                                      NR_ACTIVE_ANON);
363         }
364         if (refault_distance > workingset_size)
365                 goto out;
366
367         SetPageActive(page);
368         workingset_age_nonresident(lruvec, hpage_nr_pages(page));
369         inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_ACTIVATE);
370
371         /* Page was active prior to eviction */
372         if (workingset) {
373                 SetPageWorkingset(page);
374                 /* XXX: Move to lru_cache_add() when it supports new vs putback */
375                 spin_lock_irq(&page_pgdat(page)->lru_lock);
376                 lru_note_cost_page(page);
377                 spin_unlock_irq(&page_pgdat(page)->lru_lock);
378                 inc_lruvec_state(lruvec, WORKINGSET_RESTORE);
379         }
380 out:
381         rcu_read_unlock();
382 }
383
384 /**
385  * workingset_activation - note a page activation
386  * @page: page that is being activated
387  */
388 void workingset_activation(struct page *page)
389 {
390         struct mem_cgroup *memcg;
391         struct lruvec *lruvec;
392
393         rcu_read_lock();
394         /*
395          * Filter non-memcg pages here, e.g. unmap can call
396          * mark_page_accessed() on VDSO pages.
397          *
398          * XXX: See workingset_refault() - this should return
399          * root_mem_cgroup even for !CONFIG_MEMCG.
400          */
401         memcg = page_memcg_rcu(page);
402         if (!mem_cgroup_disabled() && !memcg)
403                 goto out;
404         lruvec = mem_cgroup_page_lruvec(page, page_pgdat(page));
405         workingset_age_nonresident(lruvec, hpage_nr_pages(page));
406 out:
407         rcu_read_unlock();
408 }
409
410 /*
411  * Shadow entries reflect the share of the working set that does not
412  * fit into memory, so their number depends on the access pattern of
413  * the workload.  In most cases, they will refault or get reclaimed
414  * along with the inode, but a (malicious) workload that streams
415  * through files with a total size several times that of available
416  * memory, while preventing the inodes from being reclaimed, can
417  * create excessive amounts of shadow nodes.  To keep a lid on this,
418  * track shadow nodes and reclaim them when they grow way past the
419  * point where they would still be useful.
420  */
421
422 static struct list_lru shadow_nodes;
423
424 void workingset_update_node(struct xa_node *node)
425 {
426         /*
427          * Track non-empty nodes that contain only shadow entries;
428          * unlink those that contain pages or are being freed.
429          *
430          * Avoid acquiring the list_lru lock when the nodes are
431          * already where they should be. The list_empty() test is safe
432          * as node->private_list is protected by the i_pages lock.
433          */
434         VM_WARN_ON_ONCE(!irqs_disabled());  /* For __inc_lruvec_page_state */
435
436         if (node->count && node->count == node->nr_values) {
437                 if (list_empty(&node->private_list)) {
438                         list_lru_add(&shadow_nodes, &node->private_list);
439                         __inc_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
440                 }
441         } else {
442                 if (!list_empty(&node->private_list)) {
443                         list_lru_del(&shadow_nodes, &node->private_list);
444                         __dec_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
445                 }
446         }
447 }
448
449 static unsigned long count_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
450                                         struct shrink_control *sc)
451 {
452         unsigned long max_nodes;
453         unsigned long nodes;
454         unsigned long pages;
455
456         nodes = list_lru_shrink_count(&shadow_nodes, sc);
457
458         /*
459          * Approximate a reasonable limit for the nodes
460          * containing shadow entries. We don't need to keep more
461          * shadow entries than possible pages on the active list,
462          * since refault distances bigger than that are dismissed.
463          *
464          * The size of the active list converges toward 100% of
465          * overall page cache as memory grows, with only a tiny
466          * inactive list. Assume the total cache size for that.
467          *
468          * Nodes might be sparsely populated, with only one shadow
469          * entry in the extreme case. Obviously, we cannot keep one
470          * node for every eligible shadow entry, so compromise on a
471          * worst-case density of 1/8th. Below that, not all eligible
472          * refaults can be detected anymore.
473          *
474          * On 64-bit with 7 xa_nodes per page and 64 slots
475          * each, this will reclaim shadow entries when they consume
476          * ~1.8% of available memory:
477          *
478          * PAGE_SIZE / xa_nodes / node_entries * 8 / PAGE_SIZE
479          */
480 #ifdef CONFIG_MEMCG
481         if (sc->memcg) {
482                 struct lruvec *lruvec;
483                 int i;
484
485                 lruvec = mem_cgroup_lruvec(sc->memcg, NODE_DATA(sc->nid));
486                 for (pages = 0, i = 0; i < NR_LRU_LISTS; i++)
487                         pages += lruvec_page_state_local(lruvec,
488                                                          NR_LRU_BASE + i);
489                 pages += lruvec_page_state_local(
490                         lruvec, NR_SLAB_RECLAIMABLE_B) >> PAGE_SHIFT;
491                 pages += lruvec_page_state_local(
492                         lruvec, NR_SLAB_UNRECLAIMABLE_B) >> PAGE_SHIFT;
493         } else
494 #endif
495                 pages = node_present_pages(sc->nid);
496
497         max_nodes = pages >> (XA_CHUNK_SHIFT - 3);
498
499         if (!nodes)
500                 return SHRINK_EMPTY;
501
502         if (nodes <= max_nodes)
503                 return 0;
504         return nodes - max_nodes;
505 }
506
507 static enum lru_status shadow_lru_isolate(struct list_head *item,
508                                           struct list_lru_one *lru,
509                                           spinlock_t *lru_lock,
510                                           void *arg) __must_hold(lru_lock)
511 {
512         struct xa_node *node = container_of(item, struct xa_node, private_list);
513         XA_STATE(xas, node->array, 0);
514         struct address_space *mapping;
515         int ret;
516
517         /*
518          * Page cache insertions and deletions synchroneously maintain
519          * the shadow node LRU under the i_pages lock and the
520          * lru_lock.  Because the page cache tree is emptied before
521          * the inode can be destroyed, holding the lru_lock pins any
522          * address_space that has nodes on the LRU.
523          *
524          * We can then safely transition to the i_pages lock to
525          * pin only the address_space of the particular node we want
526          * to reclaim, take the node off-LRU, and drop the lru_lock.
527          */
528
529         mapping = container_of(node->array, struct address_space, i_pages);
530
531         /* Coming from the list, invert the lock order */
532         if (!xa_trylock(&mapping->i_pages)) {
533                 spin_unlock_irq(lru_lock);
534                 ret = LRU_RETRY;
535                 goto out;
536         }
537
538         list_lru_isolate(lru, item);
539         __dec_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODES);
540
541         spin_unlock(lru_lock);
542
543         /*
544          * The nodes should only contain one or more shadow entries,
545          * no pages, so we expect to be able to remove them all and
546          * delete and free the empty node afterwards.
547          */
548         if (WARN_ON_ONCE(!node->nr_values))
549                 goto out_invalid;
550         if (WARN_ON_ONCE(node->count != node->nr_values))
551                 goto out_invalid;
552         mapping->nrexceptional -= node->nr_values;
553         xas.xa_node = xa_parent_locked(&mapping->i_pages, node);
554         xas.xa_offset = node->offset;
555         xas.xa_shift = node->shift + XA_CHUNK_SHIFT;
556         xas_set_update(&xas, workingset_update_node);
557         /*
558          * We could store a shadow entry here which was the minimum of the
559          * shadow entries we were tracking ...
560          */
561         xas_store(&xas, NULL);
562         __inc_lruvec_slab_state(node, WORKINGSET_NODERECLAIM);
563
564 out_invalid:
565         xa_unlock_irq(&mapping->i_pages);
566         ret = LRU_REMOVED_RETRY;
567 out:
568         cond_resched();
569         spin_lock_irq(lru_lock);
570         return ret;
571 }
572
573 static unsigned long scan_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
574                                        struct shrink_control *sc)
575 {
576         /* list_lru lock nests inside the IRQ-safe i_pages lock */
577         return list_lru_shrink_walk_irq(&shadow_nodes, sc, shadow_lru_isolate,
578                                         NULL);
579 }
580
581 static struct shrinker workingset_shadow_shrinker = {
582         .count_objects = count_shadow_nodes,
583         .scan_objects = scan_shadow_nodes,
584         .seeks = 0, /* ->count reports only fully expendable nodes */
585         .flags = SHRINKER_NUMA_AWARE | SHRINKER_MEMCG_AWARE,
586 };
587
588 /*
589  * Our list_lru->lock is IRQ-safe as it nests inside the IRQ-safe
590  * i_pages lock.
591  */
592 static struct lock_class_key shadow_nodes_key;
593
594 static int __init workingset_init(void)
595 {
596         unsigned int timestamp_bits;
597         unsigned int max_order;
598         int ret;
599
600         BUILD_BUG_ON(BITS_PER_LONG < EVICTION_SHIFT);
601         /*
602          * Calculate the eviction bucket size to cover the longest
603          * actionable refault distance, which is currently half of
604          * memory (totalram_pages/2). However, memory hotplug may add
605          * some more pages at runtime, so keep working with up to
606          * double the initial memory by using totalram_pages as-is.
607          */
608         timestamp_bits = BITS_PER_LONG - EVICTION_SHIFT;
609         max_order = fls_long(totalram_pages() - 1);
610         if (max_order > timestamp_bits)
611                 bucket_order = max_order - timestamp_bits;
612         pr_info("workingset: timestamp_bits=%d max_order=%d bucket_order=%u\n",
613                timestamp_bits, max_order, bucket_order);
614
615         ret = prealloc_shrinker(&workingset_shadow_shrinker);
616         if (ret)
617                 goto err;
618         ret = __list_lru_init(&shadow_nodes, true, &shadow_nodes_key,
619                               &workingset_shadow_shrinker);
620         if (ret)
621                 goto err_list_lru;
622         register_shrinker_prepared(&workingset_shadow_shrinker);
623         return 0;
624 err_list_lru:
625         free_prealloced_shrinker(&workingset_shadow_shrinker);
626 err:
627         return ret;
628 }
629 module_init(workingset_init);