Merge branch 'mm-rst' into docs-next
authorJonathan Corbet <corbet@lwn.net>
Mon, 16 Apr 2018 20:25:08 +0000 (14:25 -0600)
committerJonathan Corbet <corbet@lwn.net>
Mon, 16 Apr 2018 20:25:08 +0000 (14:25 -0600)
Mike Rapoport says:

  These patches convert files in Documentation/vm to ReST format, add an
  initial index and link it to the top level documentation.

  There are no contents changes in the documentation, except few spelling
  fixes. The relatively large diffstat stems from the indentation and
  paragraph wrapping changes.

  I've tried to keep the formatting as consistent as possible, but I could
  miss some places that needed markup and add some markup where it was not
  necessary.

[jc: significant conflicts in vm/hmm.rst]

21 files changed:
1  2 
Documentation/admin-guide/kernel-parameters.txt
Documentation/sysctl/vm.txt
Documentation/vm/hmm.rst
Documentation/vm/page_migration.rst
MAINTAINERS
arch/alpha/Kconfig
arch/mips/Kconfig
arch/powerpc/Kconfig
fs/dax.c
fs/proc/task_mmu.c
include/linux/hmm.h
include/linux/sched/mm.h
include/linux/swap.h
mm/Kconfig
mm/hmm.c
mm/huge_memory.c
mm/hugetlb.c
mm/ksm.c
mm/mmap.c
mm/rmap.c
mm/util.c

Simple merge
index 0000000,3fafa33..cdf3911
mode 000000,100644..100644
--- /dev/null
@@@ -1,0 -1,374 +1,386 @@@
 -Transparently allow any component of a program to use any memory region of said
 -program with a device without using device specific memory allocator. This is
 -becoming a requirement to simplify the use of advance heterogeneous computing
 -where GPU, DSP or FPGA are use to perform various computations.
 -
 -This document is divided as follow, in the first section i expose the problems
 -related to the use of a device specific allocator. The second section i expose
 -the hardware limitations that are inherent to many platforms. The third section
 -gives an overview of HMM designs. The fourth section explains how CPU page-
 -table mirroring works and what is HMM purpose in this context. Fifth section
 -deals with how device memory is represented inside the kernel. Finaly the last
 -section present the new migration helper that allow to leverage the device DMA
 -engine.
+ .. hmm:
+ =====================================
+ Heterogeneous Memory Management (HMM)
+ =====================================
 -Problems of using device specific memory allocator
 -==================================================
 -
 -Device with large amount of on board memory (several giga bytes) like GPU have
 -historically manage their memory through dedicated driver specific API. This
 -creates a disconnect between memory allocated and managed by device driver and
 -regular application memory (private anonymous, share memory or regular file
 -back memory). From here on i will refer to this aspect as split address space.
 -I use share address space to refer to the opposite situation ie one in which
 -any memory region can be use by device transparently.
 -
 -Split address space because device can only access memory allocated through the
 -device specific API. This imply that all memory object in a program are not
 -equal from device point of view which complicate large program that rely on a
 -wide set of libraries.
 -
 -Concretly this means that code that wants to leverage device like GPU need to
 -copy object between genericly allocated memory (malloc, mmap private/share/)
 -and memory allocated through the device driver API (this still end up with an
 -mmap but of the device file).
 -
 -For flat dataset (array, grid, image, ...) this isn't too hard to achieve but
 -complex data-set (list, tree, ...) are hard to get right. Duplicating a complex
 -data-set need to re-map all the pointer relations between each of its elements.
 -This is error prone and program gets harder to debug because of the duplicate
 -data-set.
 -
 -Split address space also means that library can not transparently use data they
 -are getting from core program or other library and thus each library might have
 -to duplicate its input data-set using specific memory allocator. Large project
 -suffer from this and waste resources because of the various memory copy.
 -
 -Duplicating each library API to accept as input or output memory allocted by
++Provide infrastructure and helpers to integrate non-conventional memory (device
++memory like GPU on board memory) into regular kernel path, with the cornerstone
++of this being specialized struct page for such memory (see sections 5 to 7 of
++this document).
++
++HMM also provides optional helpers for SVM (Share Virtual Memory), i.e.,
++allowing a device to transparently access program address coherently with
++the CPU meaning that any valid pointer on the CPU is also a valid pointer
++for the device. This is becoming mandatory to simplify the use of advanced
++heterogeneous computing where GPU, DSP, or FPGA are used to perform various
++computations on behalf of a process.
++
++This document is divided as follows: in the first section I expose the problems
++related to using device specific memory allocators. In the second section, I
++expose the hardware limitations that are inherent to many platforms. The third
++section gives an overview of the HMM design. The fourth section explains how
++CPU page-table mirroring works and the purpose of HMM in this context. The
++fifth section deals with how device memory is represented inside the kernel.
++Finally, the last section presents a new migration helper that allows lever-
++aging the device DMA engine.
+ .. contents:: :local:
 -combinatorial explosions in the library entry points.
++Problems of using a device specific memory allocator
++====================================================
++
++Devices with a large amount of on board memory (several gigabytes) like GPUs
++have historically managed their memory through dedicated driver specific APIs.
++This creates a disconnect between memory allocated and managed by a device
++driver and regular application memory (private anonymous, shared memory, or
++regular file backed memory). From here on I will refer to this aspect as split
++address space. I use shared address space to refer to the opposite situation:
++i.e., one in which any application memory region can be used by a device
++transparently.
++
++Split address space happens because device can only access memory allocated
++through device specific API. This implies that all memory objects in a program
++are not equal from the device point of view which complicates large programs
++that rely on a wide set of libraries.
++
++Concretely this means that code that wants to leverage devices like GPUs needs
++to copy object between generically allocated memory (malloc, mmap private, mmap
++share) and memory allocated through the device driver API (this still ends up
++with an mmap but of the device file).
++
++For flat data sets (array, grid, image, ...) this isn't too hard to achieve but
++complex data sets (list, tree, ...) are hard to get right. Duplicating a
++complex data set needs to re-map all the pointer relations between each of its
++elements. This is error prone and program gets harder to debug because of the
++duplicate data set and addresses.
++
++Split address space also means that libraries cannot transparently use data
++they are getting from the core program or another library and thus each library
++might have to duplicate its input data set using the device specific memory
++allocator. Large projects suffer from this and waste resources because of the
++various memory copies.
++
++Duplicating each library API to accept as input or output memory allocated by
+ each device specific allocator is not a viable option. It would lead to a
 -Finaly with the advance of high level language constructs (in C++ but in other
 -language too) it is now possible for compiler to leverage GPU or other devices
 -without even the programmer knowledge. Some of compiler identified patterns are
 -only do-able with a share address. It is as well more reasonable to use a share
 -address space for all the other patterns.
++combinatorial explosion in the library entry points.
 -System bus, device memory characteristics
 -=========================================
++Finally, with the advance of high level language constructs (in C++ but in
++other languages too) it is now possible for the compiler to leverage GPUs and
++other devices without programmer knowledge. Some compiler identified patterns
++are only do-able with a shared address space. It is also more reasonable to use
++a shared address space for all other patterns.
 -System bus cripple share address due to few limitations. Most system bus only
 -allow basic memory access from device to main memory, even cache coherency is
 -often optional. Access to device memory from CPU is even more limited, most
 -often than not it is not cache coherent.
++I/O bus, device memory characteristics
++======================================
 -If we only consider the PCIE bus than device can access main memory (often
 -through an IOMMU) and be cache coherent with the CPUs. However it only allows
 -a limited set of atomic operation from device on main memory. This is worse
 -in the other direction the CPUs can only access a limited range of the device
 -memory and can not perform atomic operations on it. Thus device memory can not
 -be consider like regular memory from kernel point of view.
++I/O buses cripple shared address spaces due to a few limitations. Most I/O
++buses only allow basic memory access from device to main memory; even cache
++coherency is often optional. Access to device memory from CPU is even more
++limited. More often than not, it is not cache coherent.
 -and 16 lanes). This is 33 times less that fastest GPU memory (1 TBytes/s).
 -The final limitation is latency, access to main memory from the device has an
 -order of magnitude higher latency than when the device access its own memory.
++If we only consider the PCIE bus, then a device can access main memory (often
++through an IOMMU) and be cache coherent with the CPUs. However, it only allows
++a limited set of atomic operations from device on main memory. This is worse
++in the other direction: the CPU can only access a limited range of the device
++memory and cannot perform atomic operations on it. Thus device memory cannot
++be considered the same as regular memory from the kernel point of view.
+ Another crippling factor is the limited bandwidth (~32GBytes/s with PCIE 4.0
 -Some platform are developing new system bus or additions/modifications to PCIE
 -to address some of those limitations (OpenCAPI, CCIX). They mainly allow two
++and 16 lanes). This is 33 times less than the fastest GPU memory (1 TBytes/s).
++The final limitation is latency. Access to main memory from the device has an
++order of magnitude higher latency than when the device accesses its own memory.
 -architecture supports. Saddly not all platform are following this trends and
 -some major architecture are left without hardware solutions to those problems.
++Some platforms are developing new I/O buses or additions/modifications to PCIE
++to address some of these limitations (OpenCAPI, CCIX). They mainly allow two-
+ way cache coherency between CPU and device and allow all atomic operations the
 -So for share address space to make sense not only we must allow device to
 -access any memory memory but we must also permit any memory to be migrated to
 -device memory while device is using it (blocking CPU access while it happens).
++architecture supports. Sadly, not all platforms are following this trend and
++some major architectures are left without hardware solutions to these problems.
 -Share address space and migration
 -=================================
++So for shared address space to make sense, not only must we allow devices to
++access any memory but we must also permit any memory to be migrated to device
++memory while device is using it (blocking CPU access while it happens).
 -space by duplication the CPU page table into the device page table so same
 -address point to same memory and this for any valid main memory address in
++Shared address space and migration
++==================================
+ HMM intends to provide two main features. First one is to share the address
 -To achieve this, HMM offer a set of helpers to populate the device page table
++space by duplicating the CPU page table in the device page table so the same
++address points to the same physical memory for any valid main memory address in
+ the process address space.
 -not as easy as CPU page table updates. To update the device page table you must
 -allow a buffer (or use a pool of pre-allocated buffer) and write GPU specifics
 -commands in it to perform the update (unmap, cache invalidations and flush,
 -...). This can not be done through common code for all device. Hence why HMM
 -provides helpers to factor out everything that can be while leaving the gory
 -details to the device driver.
 -
 -The second mechanism HMM provide is a new kind of ZONE_DEVICE memory that does
 -allow to allocate a struct page for each page of the device memory. Those page
 -are special because the CPU can not map them. They however allow to migrate
 -main memory to device memory using exhisting migration mechanism and everything
 -looks like if page was swap out to disk from CPU point of view. Using a struct
 -page gives the easiest and cleanest integration with existing mm mechanisms.
 -Again here HMM only provide helpers, first to hotplug new ZONE_DEVICE memory
 -for the device memory and second to perform migration. Policy decision of what
 -and when to migrate things is left to the device driver.
 -
 -Note that any CPU access to a device page trigger a page fault and a migration
 -back to main memory ie when a page backing an given address A is migrated from
 -a main memory page to a device page then any CPU access to address A trigger a
 -page fault and initiate a migration back to main memory.
 -
 -
 -With this two features, HMM not only allow a device to mirror a process address
 -space and keeps both CPU and device page table synchronize, but also allow to
 -leverage device memory by migrating part of data-set that is actively use by a
 -device.
++To achieve this, HMM offers a set of helpers to populate the device page table
+ while keeping track of CPU page table updates. Device page table updates are
 -Address space mirroring main objective is to allow to duplicate range of CPU
 -page table into a device page table and HMM helps keeping both synchronize. A
 -device driver that want to mirror a process address space must start with the
++not as easy as CPU page table updates. To update the device page table, you must
++allocate a buffer (or use a pool of pre-allocated buffers) and write GPU
++specific commands in it to perform the update (unmap, cache invalidations, and
++flush, ...). This cannot be done through common code for all devices. Hence
++why HMM provides helpers to factor out everything that can be while leaving the
++hardware specific details to the device driver.
++
++The second mechanism HMM provides is a new kind of ZONE_DEVICE memory that
++allows allocating a struct page for each page of the device memory. Those pages
++are special because the CPU cannot map them. However, they allow migrating
++main memory to device memory using existing migration mechanisms and everything
++looks like a page is swapped out to disk from the CPU point of view. Using a
++struct page gives the easiest and cleanest integration with existing mm mech-
++anisms. Here again, HMM only provides helpers, first to hotplug new ZONE_DEVICE
++memory for the device memory and second to perform migration. Policy decisions
++of what and when to migrate things is left to the device driver.
++
++Note that any CPU access to a device page triggers a page fault and a migration
++back to main memory. For example, when a page backing a given CPU address A is
++migrated from a main memory page to a device page, then any CPU access to
++address A triggers a page fault and initiates a migration back to main memory.
++
++With these two features, HMM not only allows a device to mirror process address
++space and keeping both CPU and device page table synchronized, but also lever-
++ages device memory by migrating the part of the data set that is actively being
++used by the device.
+ Address space mirroring implementation and API
+ ==============================================
 -The locked variant is to be use when the driver is already holding the mmap_sem
 -of the mm in write mode. The mirror struct has a set of callback that are use
 -to propagate CPU page table::
++Address space mirroring's main objective is to allow duplication of a range of
++CPU page table into a device page table; HMM helps keep both synchronized. A
++device driver that wants to mirror a process address space must start with the
+ registration of an hmm_mirror struct::
+  int hmm_mirror_register(struct hmm_mirror *mirror,
+                          struct mm_struct *mm);
+  int hmm_mirror_register_locked(struct hmm_mirror *mirror,
+                                 struct mm_struct *mm);
 -Device driver must perform update to the range following action (turn range
 -read only, or fully unmap, ...). Once driver callback returns the device must
 -be done with the update.
 -
++
++The locked variant is to be used when the driver is already holding mmap_sem
++of the mm in write mode. The mirror struct has a set of callbacks that are used
++to propagate CPU page tables::
+  struct hmm_mirror_ops {
+      /* sync_cpu_device_pagetables() - synchronize page tables
+       *
+       * @mirror: pointer to struct hmm_mirror
+       * @update_type: type of update that occurred to the CPU page table
+       * @start: virtual start address of the range to update
+       * @end: virtual end address of the range to update
+       *
+       * This callback ultimately originates from mmu_notifiers when the CPU
+       * page table is updated. The device driver must update its page table
+       * in response to this callback. The update argument tells what action
+       * to perform.
+       *
+       * The device driver must not return from this callback until the device
+       * page tables are completely updated (TLBs flushed, etc); this is a
+       * synchronous call.
+       */
+       void (*update)(struct hmm_mirror *mirror,
+                      enum hmm_update action,
+                      unsigned long start,
+                      unsigned long end);
+  };
 -When device driver wants to populate a range of virtual address it can use
 -either::
++The device driver must perform the update action to the range (mark range
++read only, or fully unmap, ...). The device must be done with the update before
++the driver callback returns.
 - int hmm_vma_get_pfns(struct vm_area_struct *vma,
++When the device driver wants to populate a range of virtual addresses, it can
++use either::
 -First one (hmm_vma_get_pfns()) will only fetch present CPU page table entry and
 -will not trigger a page fault on missing or non present entry. The second one
 -do trigger page fault on missing or read only entry if write parameter is true.
 -Page fault use the generic mm page fault code path just like a CPU page fault.
++  int hmm_vma_get_pfns(struct vm_area_struct *vma,
+                       struct hmm_range *range,
+                       unsigned long start,
+                       unsigned long end,
+                       hmm_pfn_t *pfns);
+  int hmm_vma_fault(struct vm_area_struct *vma,
+                    struct hmm_range *range,
+                    unsigned long start,
+                    unsigned long end,
+                    hmm_pfn_t *pfns,
+                    bool write,
+                    bool block);
 -Both function copy CPU page table into their pfns array argument. Each entry in
 -that array correspond to an address in the virtual range. HMM provide a set of
 -flags to help driver identify special CPU page table entries.
++The first one (hmm_vma_get_pfns()) will only fetch present CPU page table
++entries and will not trigger a page fault on missing or non-present entries.
++The second one does trigger a page fault on missing or read-only entry if the
++write parameter is true. Page faults use the generic mm page fault code path
++just like a CPU page fault.
 -respect in order to keep things properly synchronize. The usage pattern is::
++Both functions copy CPU page table entries into their pfns array argument. Each
++entry in that array corresponds to an address in the virtual range. HMM
++provides a set of flags to help the driver identify special CPU page table
++entries.
+ Locking with the update() callback is the most important aspect the driver must
 -The driver->update lock is the same lock that driver takes inside its update()
 -callback. That lock must be call before hmm_vma_range_done() to avoid any race
 -with a concurrent CPU page table update.
++respect in order to keep things properly synchronized. The usage pattern is::
+  int driver_populate_range(...)
+  {
+       struct hmm_range range;
+       ...
+  again:
+       ret = hmm_vma_get_pfns(vma, &range, start, end, pfns);
+       if (ret)
+           return ret;
+       take_lock(driver->update);
+       if (!hmm_vma_range_done(vma, &range)) {
+           release_lock(driver->update);
+           goto again;
+       }
+       // Use pfns array content to update device page table
+       release_lock(driver->update);
+       return 0;
+  }
 -HMM implements all this on top of the mmu_notifier API because we wanted to a
 -simpler API and also to be able to perform optimization latter own like doing
 -concurrent device update in multi-devices scenario.
++The driver->update lock is the same lock that the driver takes inside its
++update() callback. That lock must be held before hmm_vma_range_done() to avoid
++any race with a concurrent CPU page table update.
 -HMM also serve as an impedence missmatch between how CPU page table update are
 -done (by CPU write to the page table and TLB flushes) from how device update
 -their own page table. Device update is a multi-step process, first appropriate
 -commands are write to a buffer, then this buffer is schedule for execution on
 -the device. It is only once the device has executed commands in the buffer that
 -the update is done. Creating and scheduling update command buffer can happen
 -concurrently for multiple devices. Waiting for each device to report commands
 -as executed is serialize (there is no point in doing this concurrently).
++HMM implements all this on top of the mmu_notifier API because we wanted a
++simpler API and also to be able to perform optimizations latter on like doing
++concurrent device updates in multi-devices scenario.
 -Several differents design were try to support device memory. First one use
 -device specific data structure to keep information about migrated memory and
 -HMM hooked itself in various place of mm code to handle any access to address
 -that were back by device memory. It turns out that this ended up replicating
 -most of the fields of struct page and also needed many kernel code path to be
 -updated to understand this new kind of memory.
++HMM also serves as an impedance mismatch between how CPU page table updates
++are done (by CPU write to the page table and TLB flushes) and how devices
++update their own page table. Device updates are a multi-step process. First,
++appropriate commands are written to a buffer, then this buffer is scheduled for
++execution on the device. It is only once the device has executed commands in
++the buffer that the update is done. Creating and scheduling the update command
++buffer can happen concurrently for multiple devices. Waiting for each device to
++report commands as executed is serialized (there is no point in doing this
++concurrently).
+ Represent and manage device memory from core kernel point of view
+ =================================================================
 -Thing is most kernel code path never try to access the memory behind a page
 -but only care about struct page contents. Because of this HMM switchted to
 -directly using struct page for device memory which left most kernel code path
 -un-aware of the difference. We only need to make sure that no one ever try to
 -map those page from the CPU side.
++Several different designs were tried to support device memory. First one used
++a device specific data structure to keep information about migrated memory and
++HMM hooked itself in various places of mm code to handle any access to
++addresses that were backed by device memory. It turns out that this ended up
++replicating most of the fields of struct page and also needed many kernel code
++paths to be updated to understand this new kind of memory.
 -HMM provide a set of helpers to register and hotplug device memory as a new
 -region needing struct page. This is offer through a very simple API::
++Most kernel code paths never try to access the memory behind a page
++but only care about struct page contents. Because of this, HMM switched to
++directly using struct page for device memory which left most kernel code paths
++unaware of the difference. We only need to make sure that no one ever tries to
++map those pages from the CPU side.
 -drop. This means the device page is now free and no longer use by anyone. The
 -second callback happens whenever CPU try to access a device page which it can
 -not do. This second callback must trigger a migration back to system memory.
++HMM provides a set of helpers to register and hotplug device memory as a new
++region needing a struct page. This is offered through a very simple API::
+  struct hmm_devmem *hmm_devmem_add(const struct hmm_devmem_ops *ops,
+                                    struct device *device,
+                                    unsigned long size);
+  void hmm_devmem_remove(struct hmm_devmem *devmem);
+ The hmm_devmem_ops is where most of the important things are::
+  struct hmm_devmem_ops {
+      void (*free)(struct hmm_devmem *devmem, struct page *page);
+      int (*fault)(struct hmm_devmem *devmem,
+                   struct vm_area_struct *vma,
+                   unsigned long addr,
+                   struct page *page,
+                   unsigned flags,
+                   pmd_t *pmdp);
+  };
+ The first callback (free()) happens when the last reference on a device page is
 -Migrate to and from device memory
 -=================================
++dropped. This means the device page is now free and no longer used by anyone.
++The second callback happens whenever the CPU tries to access a device page
++which it cannot do. This second callback must trigger a migration back to
++system memory.
 -Because CPU can not access device memory, migration must use device DMA engine
 -to perform copy from and to device memory. For this we need a new migration
 -helper::
++Migration to and from device memory
++===================================
 -Unlike other migration function it works on a range of virtual address, there
 -is two reasons for that. First device DMA copy has a high setup overhead cost
++Because the CPU cannot access device memory, migration must use the device DMA
++engine to perform copy from and to device memory. For this we need a new
++migration helper::
+  int migrate_vma(const struct migrate_vma_ops *ops,
+                  struct vm_area_struct *vma,
+                  unsigned long mentries,
+                  unsigned long start,
+                  unsigned long end,
+                  unsigned long *src,
+                  unsigned long *dst,
+                  void *private);
 -make the whole excersie pointless. The second reason is because driver trigger
 -such migration base on range of address the device is actively accessing.
++Unlike other migration functions it works on a range of virtual address, there
++are two reasons for that. First, device DMA copy has a high setup overhead cost
+ and thus batching multiple pages is needed as otherwise the migration overhead
 -The migrate_vma_ops struct define two callbacks. First one (alloc_and_copy())
 -control destination memory allocation and copy operation. Second one is there
 -to allow device driver to perform cleanup operation after migration::
++makes the whole exercise pointless. The second reason is because the
++migration might be for a range of addresses the device is actively accessing.
 -It is important to stress that this migration helpers allow for hole in the
++The migrate_vma_ops struct defines two callbacks. First one (alloc_and_copy())
++controls destination memory allocation and copy operation. Second one is there
++to allow the device driver to perform cleanup operations after migration::
+  struct migrate_vma_ops {
+      void (*alloc_and_copy)(struct vm_area_struct *vma,
+                             const unsigned long *src,
+                             unsigned long *dst,
+                             unsigned long start,
+                             unsigned long end,
+                             void *private);
+      void (*finalize_and_map)(struct vm_area_struct *vma,
+                               const unsigned long *src,
+                               const unsigned long *dst,
+                               unsigned long start,
+                               unsigned long end,
+                               void *private);
+  };
 -the usual reasons (page is pin, page is lock, ...). This helper does not fail
 -but just skip over those pages.
++It is important to stress that these migration helpers allow for holes in the
+ virtual address range. Some pages in the range might not be migrated for all
 -The alloc_and_copy() might as well decide to not migrate all pages in the
 -range (for reasons under the callback control). For those the callback just
 -have to leave the corresponding dst entry empty.
++the usual reasons (page is pinned, page is locked, ...). This helper does not
++fail but just skips over those pages.
 -Finaly the migration of the struct page might fails (for file back page) for
++The alloc_and_copy() might decide to not migrate all pages in the
++range (for reasons under the callback control). For those, the callback just
++has to leave the corresponding dst entry empty.
 -that happens then the finalize_and_map() can catch any pages that was not
 -migrated. Note those page were still copied to new page and thus we wasted
++Finally, the migration of the struct page might fail (for file backed page) for
+ various reasons (failure to freeze reference, or update page cache, ...). If
 -anonymous if device page is use for anonymous, file if device page is use for
 -file back page or shmem if device page is use for share memory). This is a
 -deliberate choice to keep existing application that might start using device
 -memory without knowing about it to keep runing unimpacted.
 -
 -Drawbacks is that OOM killer might kill an application using a lot of device
 -memory and not a lot of regular system memory and thus not freeing much system
 -memory. We want to gather more real world experience on how application and
 -system react under memory pressure in the presence of device memory before
++that happens, then the finalize_and_map() can catch any pages that were not
++migrated. Note those pages were still copied to a new page and thus we wasted
+ bandwidth but this is considered as a rare event and a price that we are
+ willing to pay to keep all the code simpler.
+ Memory cgroup (memcg) and rss accounting
+ ========================================
+ For now device memory is accounted as any regular page in rss counters (either
 -Same decision was made for memory cgroup. Device memory page are accounted
++anonymous if device page is used for anonymous, file if device page is used for
++file backed page or shmem if device page is used for shared memory). This is a
++deliberate choice to keep existing applications, that might start using device
++memory without knowing about it, running unimpacted.
++
++A drawback is that the OOM killer might kill an application using a lot of
++device memory and not a lot of regular system memory and thus not freeing much
++system memory. We want to gather more real world experience on how applications
++and system react under memory pressure in the presence of device memory before
+ deciding to account device memory differently.
 -back from device memory to regular memory can not fail because it would
++Same decision was made for memory cgroup. Device memory pages are accounted
+ against same memory cgroup a regular page would be accounted to. This does
+ simplify migration to and from device memory. This also means that migration
 -get more experience in how device memory is use and its impact on memory
++back from device memory to regular memory cannot fail because it would
+ go above memory cgroup limit. We might revisit this choice latter on once we
 -Note that device memory can never be pin nor by device driver nor through GUP
++get more experience in how device memory is used and its impact on memory
+ resource control.
 -is drop in case of share memory or file back memory.
++Note that device memory can never be pinned by device driver nor through GUP
+ and thus such memory is always free upon process exit. Or when last reference
++is dropped in case of shared memory or file backed memory.
index 0000000,07b67a8..f68d613
mode 000000,100644..100644
--- /dev/null
@@@ -1,0 -1,257 +1,257 @@@
 -2. Insure that writeback is complete.
+ .. _page_migration:
+ ==============
+ Page migration
+ ==============
+ Page migration allows the moving of the physical location of pages between
+ nodes in a numa system while the process is running. This means that the
+ virtual addresses that the process sees do not change. However, the
+ system rearranges the physical location of those pages.
+ The main intend of page migration is to reduce the latency of memory access
+ by moving pages near to the processor where the process accessing that memory
+ is running.
+ Page migration allows a process to manually relocate the node on which its
+ pages are located through the MF_MOVE and MF_MOVE_ALL options while setting
+ a new memory policy via mbind(). The pages of process can also be relocated
+ from another process using the sys_migrate_pages() function call. The
+ migrate_pages function call takes two sets of nodes and moves pages of a
+ process that are located on the from nodes to the destination nodes.
+ Page migration functions are provided by the numactl package by Andi Kleen
+ (a version later than 0.9.3 is required. Get it from
+ ftp://oss.sgi.com/www/projects/libnuma/download/). numactl provides libnuma
+ which provides an interface similar to other numa functionality for page
+ migration.  cat ``/proc/<pid>/numa_maps`` allows an easy review of where the
+ pages of a process are located. See also the numa_maps documentation in the
+ proc(5) man page.
+ Manual migration is useful if for example the scheduler has relocated
+ a process to a processor on a distant node. A batch scheduler or an
+ administrator may detect the situation and move the pages of the process
+ nearer to the new processor. The kernel itself does only provide
+ manual page migration support. Automatic page migration may be implemented
+ through user space processes that move pages. A special function call
+ "move_pages" allows the moving of individual pages within a process.
+ A NUMA profiler may f.e. obtain a log showing frequent off node
+ accesses and may use the result to move pages to more advantageous
+ locations.
+ Larger installations usually partition the system using cpusets into
+ sections of nodes. Paul Jackson has equipped cpusets with the ability to
+ move pages when a task is moved to another cpuset (See
+ Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt).
+ Cpusets allows the automation of process locality. If a task is moved to
+ a new cpuset then also all its pages are moved with it so that the
+ performance of the process does not sink dramatically. Also the pages
+ of processes in a cpuset are moved if the allowed memory nodes of a
+ cpuset are changed.
+ Page migration allows the preservation of the relative location of pages
+ within a group of nodes for all migration techniques which will preserve a
+ particular memory allocation pattern generated even after migrating a
+ process. This is necessary in order to preserve the memory latencies.
+ Processes will run with similar performance after migration.
+ Page migration occurs in several steps. First a high level
+ description for those trying to use migrate_pages() from the kernel
+ (for userspace usage see the Andi Kleen's numactl package mentioned above)
+ and then a low level description of how the low level details work.
+ In kernel use of migrate_pages()
+ ================================
+ 1. Remove pages from the LRU.
+    Lists of pages to be migrated are generated by scanning over
+    pages and moving them into lists. This is done by
+    calling isolate_lru_page().
+    Calling isolate_lru_page increases the references to the page
+    so that it cannot vanish while the page migration occurs.
+    It also prevents the swapper or other scans to encounter
+    the page.
+ 2. We need to have a function of type new_page_t that can be
+    passed to migrate_pages(). This function should figure out
+    how to allocate the correct new page given the old page.
+ 3. The migrate_pages() function is called which attempts
+    to do the migration. It will call the function to allocate
+    the new page for each page that is considered for
+    moving.
+ How migrate_pages() works
+ =========================
+ migrate_pages() does several passes over its list of pages. A page is moved
+ if all references to a page are removable at the time. The page has
+ already been removed from the LRU via isolate_lru_page() and the refcount
+ is increased so that the page cannot be freed while page migration occurs.
+ Steps:
+ 1. Lock the page to be migrated
 -5. The radix tree lock is taken. This will cause all processes trying
 -   to access the page via the mapping to block on the radix tree spinlock.
++2. Ensure that writeback is complete.
+ 3. Lock the new page that we want to move to. It is locked so that accesses to
+    this (not yet uptodate) page immediately lock while the move is in progress.
+ 4. All the page table references to the page are converted to migration
+    entries. This decreases the mapcount of a page. If the resulting
+    mapcount is not zero then we do not migrate the page. All user space
+    processes that attempt to access the page will now wait on the page lock.
 -10. The reference count of the old page is dropped because the radix tree
++5. The i_pages lock is taken. This will cause all processes trying
++   to access the page via the mapping to block on the spinlock.
+ 6. The refcount of the page is examined and we back out if references remain
+    otherwise we know that we are the only one referencing this page.
+ 7. The radix tree is checked and if it does not contain the pointer to this
+    page then we back out because someone else modified the radix tree.
+ 8. The new page is prepped with some settings from the old page so that
+    accesses to the new page will discover a page with the correct settings.
+ 9. The radix tree is changed to point to the new page.
 -    the new page is referenced to by the radix tree.
++10. The reference count of the old page is dropped because the address space
+     reference is gone. A reference to the new page is established because
 -11. The radix tree lock is dropped. With that lookups in the mapping
 -    become possible again. Processes will move from spinning on the tree_lock
++    the new page is referenced by the address space.
++11. The i_pages lock is dropped. With that lookups in the mapping
++    become possible again. Processes will move from spinning on the lock
+     to sleeping on the locked new page.
+ 12. The page contents are copied to the new page.
+ 13. The remaining page flags are copied to the new page.
+ 14. The old page flags are cleared to indicate that the page does
+     not provide any information anymore.
+ 15. Queued up writeback on the new page is triggered.
+ 16. If migration entries were page then replace them with real ptes. Doing
+     so will enable access for user space processes not already waiting for
+     the page lock.
+ 19. The page locks are dropped from the old and new page.
+     Processes waiting on the page lock will redo their page faults
+     and will reach the new page.
+ 20. The new page is moved to the LRU and can be scanned by the swapper
+     etc again.
+ Non-LRU page migration
+ ======================
+ Although original migration aimed for reducing the latency of memory access
+ for NUMA, compaction who want to create high-order page is also main customer.
+ Current problem of the implementation is that it is designed to migrate only
+ *LRU* pages. However, there are potential non-lru pages which can be migrated
+ in drivers, for example, zsmalloc, virtio-balloon pages.
+ For virtio-balloon pages, some parts of migration code path have been hooked
+ up and added virtio-balloon specific functions to intercept migration logics.
+ It's too specific to a driver so other drivers who want to make their pages
+ movable would have to add own specific hooks in migration path.
+ To overclome the problem, VM supports non-LRU page migration which provides
+ generic functions for non-LRU movable pages without driver specific hooks
+ migration path.
+ If a driver want to make own pages movable, it should define three functions
+ which are function pointers of struct address_space_operations.
+ 1. ``bool (*isolate_page) (struct page *page, isolate_mode_t mode);``
+    What VM expects on isolate_page function of driver is to return *true*
+    if driver isolates page successfully. On returing true, VM marks the page
+    as PG_isolated so concurrent isolation in several CPUs skip the page
+    for isolation. If a driver cannot isolate the page, it should return *false*.
+    Once page is successfully isolated, VM uses page.lru fields so driver
+    shouldn't expect to preserve values in that fields.
+ 2. ``int (*migratepage) (struct address_space *mapping,``
+ |     ``struct page *newpage, struct page *oldpage, enum migrate_mode);``
+    After isolation, VM calls migratepage of driver with isolated page.
+    The function of migratepage is to move content of the old page to new page
+    and set up fields of struct page newpage. Keep in mind that you should
+    indicate to the VM the oldpage is no longer movable via __ClearPageMovable()
+    under page_lock if you migrated the oldpage successfully and returns
+    MIGRATEPAGE_SUCCESS. If driver cannot migrate the page at the moment, driver
+    can return -EAGAIN. On -EAGAIN, VM will retry page migration in a short time
+    because VM interprets -EAGAIN as "temporal migration failure". On returning
+    any error except -EAGAIN, VM will give up the page migration without retrying
+    in this time.
+    Driver shouldn't touch page.lru field VM using in the functions.
+ 3. ``void (*putback_page)(struct page *);``
+    If migration fails on isolated page, VM should return the isolated page
+    to the driver so VM calls driver's putback_page with migration failed page.
+    In this function, driver should put the isolated page back to the own data
+    structure.
+ 4. non-lru movable page flags
+    There are two page flags for supporting non-lru movable page.
+    * PG_movable
+      Driver should use the below function to make page movable under page_lock::
+       void __SetPageMovable(struct page *page, struct address_space *mapping)
+      It needs argument of address_space for registering migration
+      family functions which will be called by VM. Exactly speaking,
+      PG_movable is not a real flag of struct page. Rather than, VM
+      reuses page->mapping's lower bits to represent it.
+ ::
+       #define PAGE_MAPPING_MOVABLE 0x2
+       page->mapping = page->mapping | PAGE_MAPPING_MOVABLE;
+      so driver shouldn't access page->mapping directly. Instead, driver should
+      use page_mapping which mask off the low two bits of page->mapping under
+      page lock so it can get right struct address_space.
+      For testing of non-lru movable page, VM supports __PageMovable function.
+      However, it doesn't guarantee to identify non-lru movable page because
+      page->mapping field is unified with other variables in struct page.
+      As well, if driver releases the page after isolation by VM, page->mapping
+      doesn't have stable value although it has PAGE_MAPPING_MOVABLE
+      (Look at __ClearPageMovable). But __PageMovable is cheap to catch whether
+      page is LRU or non-lru movable once the page has been isolated. Because
+      LRU pages never can have PAGE_MAPPING_MOVABLE in page->mapping. It is also
+      good for just peeking to test non-lru movable pages before more expensive
+      checking with lock_page in pfn scanning to select victim.
+      For guaranteeing non-lru movable page, VM provides PageMovable function.
+      Unlike __PageMovable, PageMovable functions validates page->mapping and
+      mapping->a_ops->isolate_page under lock_page. The lock_page prevents sudden
+      destroying of page->mapping.
+      Driver using __SetPageMovable should clear the flag via __ClearMovablePage
+      under page_lock before the releasing the page.
+    * PG_isolated
+      To prevent concurrent isolation among several CPUs, VM marks isolated page
+      as PG_isolated under lock_page. So if a CPU encounters PG_isolated non-lru
+      movable page, it can skip it. Driver doesn't need to manipulate the flag
+      because VM will set/clear it automatically. Keep in mind that if driver
+      sees PG_isolated page, it means the page have been isolated by VM so it
+      shouldn't touch page.lru field.
+      PG_isolated is alias with PG_reclaim flag so driver shouldn't use the flag
+      for own purpose.
+ Christoph Lameter, May 8, 2006.
+ Minchan Kim, Mar 28, 2016.
diff --cc MAINTAINERS
Simple merge
Simple merge
Simple merge
Simple merge
diff --cc fs/dax.c
Simple merge
Simple merge
Simple merge
Simple merge
Simple merge
diff --cc mm/Kconfig
Simple merge
diff --cc mm/hmm.c
Simple merge
Simple merge
diff --cc mm/hugetlb.c
Simple merge
diff --cc mm/ksm.c
Simple merge
diff --cc mm/mmap.c
Simple merge
diff --cc mm/rmap.c
Simple merge
diff --cc mm/util.c
Simple merge