Merge branch 'nvme-4.18' of git://git.infradead.org/nvme into for-linus
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / admin-guide / mm / numa_memory_policy.rst
1 .. _numa_memory_policy:
2
3 ==================
4 NUMA Memory Policy
5 ==================
6
7 What is NUMA Memory Policy?
8 ============================
9
10 In the Linux kernel, "memory policy" determines from which node the kernel will
11 allocate memory in a NUMA system or in an emulated NUMA system.  Linux has
12 supported platforms with Non-Uniform Memory Access architectures since 2.4.?.
13 The current memory policy support was added to Linux 2.6 around May 2004.  This
14 document attempts to describe the concepts and APIs of the 2.6 memory policy
15 support.
16
17 Memory policies should not be confused with cpusets
18 (``Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt``)
19 which is an administrative mechanism for restricting the nodes from which
20 memory may be allocated by a set of processes. Memory policies are a
21 programming interface that a NUMA-aware application can take advantage of.  When
22 both cpusets and policies are applied to a task, the restrictions of the cpuset
23 takes priority.  See :ref:`Memory Policies and cpusets <mem_pol_and_cpusets>`
24 below for more details.
25
26 Memory Policy Concepts
27 ======================
28
29 Scope of Memory Policies
30 ------------------------
31
32 The Linux kernel supports _scopes_ of memory policy, described here from
33 most general to most specific:
34
35 System Default Policy
36         this policy is "hard coded" into the kernel.  It is the policy
37         that governs all page allocations that aren't controlled by
38         one of the more specific policy scopes discussed below.  When
39         the system is "up and running", the system default policy will
40         use "local allocation" described below.  However, during boot
41         up, the system default policy will be set to interleave
42         allocations across all nodes with "sufficient" memory, so as
43         not to overload the initial boot node with boot-time
44         allocations.
45
46 Task/Process Policy
47         this is an optional, per-task policy.  When defined for a
48         specific task, this policy controls all page allocations made
49         by or on behalf of the task that aren't controlled by a more
50         specific scope. If a task does not define a task policy, then
51         all page allocations that would have been controlled by the
52         task policy "fall back" to the System Default Policy.
53
54         The task policy applies to the entire address space of a task. Thus,
55         it is inheritable, and indeed is inherited, across both fork()
56         [clone() w/o the CLONE_VM flag] and exec*().  This allows a parent task
57         to establish the task policy for a child task exec()'d from an
58         executable image that has no awareness of memory policy.  See the
59         :ref:`Memory Policy APIs <memory_policy_apis>` section,
60         below, for an overview of the system call
61         that a task may use to set/change its task/process policy.
62
63         In a multi-threaded task, task policies apply only to the thread
64         [Linux kernel task] that installs the policy and any threads
65         subsequently created by that thread.  Any sibling threads existing
66         at the time a new task policy is installed retain their current
67         policy.
68
69         A task policy applies only to pages allocated after the policy is
70         installed.  Any pages already faulted in by the task when the task
71         changes its task policy remain where they were allocated based on
72         the policy at the time they were allocated.
73
74 .. _vma_policy:
75
76 VMA Policy
77         A "VMA" or "Virtual Memory Area" refers to a range of a task's
78         virtual address space.  A task may define a specific policy for a range
79         of its virtual address space.   See the
80         :ref:`Memory Policy APIs <memory_policy_apis>` section,
81         below, for an overview of the mbind() system call used to set a VMA
82         policy.
83
84         A VMA policy will govern the allocation of pages that back
85         this region of the address space.  Any regions of the task's
86         address space that don't have an explicit VMA policy will fall
87         back to the task policy, which may itself fall back to the
88         System Default Policy.
89
90         VMA policies have a few complicating details:
91
92         * VMA policy applies ONLY to anonymous pages.  These include
93           pages allocated for anonymous segments, such as the task
94           stack and heap, and any regions of the address space
95           mmap()ed with the MAP_ANONYMOUS flag.  If a VMA policy is
96           applied to a file mapping, it will be ignored if the mapping
97           used the MAP_SHARED flag.  If the file mapping used the
98           MAP_PRIVATE flag, the VMA policy will only be applied when
99           an anonymous page is allocated on an attempt to write to the
100           mapping-- i.e., at Copy-On-Write.
101
102         * VMA policies are shared between all tasks that share a
103           virtual address space--a.k.a. threads--independent of when
104           the policy is installed; and they are inherited across
105           fork().  However, because VMA policies refer to a specific
106           region of a task's address space, and because the address
107           space is discarded and recreated on exec*(), VMA policies
108           are NOT inheritable across exec().  Thus, only NUMA-aware
109           applications may use VMA policies.
110
111         * A task may install a new VMA policy on a sub-range of a
112           previously mmap()ed region.  When this happens, Linux splits
113           the existing virtual memory area into 2 or 3 VMAs, each with
114           it's own policy.
115
116         * By default, VMA policy applies only to pages allocated after
117           the policy is installed.  Any pages already faulted into the
118           VMA range remain where they were allocated based on the
119           policy at the time they were allocated.  However, since
120           2.6.16, Linux supports page migration via the mbind() system
121           call, so that page contents can be moved to match a newly
122           installed policy.
123
124 Shared Policy
125         Conceptually, shared policies apply to "memory objects" mapped
126         shared into one or more tasks' distinct address spaces.  An
127         application installs shared policies the same way as VMA
128         policies--using the mbind() system call specifying a range of
129         virtual addresses that map the shared object.  However, unlike
130         VMA policies, which can be considered to be an attribute of a
131         range of a task's address space, shared policies apply
132         directly to the shared object.  Thus, all tasks that attach to
133         the object share the policy, and all pages allocated for the
134         shared object, by any task, will obey the shared policy.
135
136         As of 2.6.22, only shared memory segments, created by shmget() or
137         mmap(MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED), support shared policy.  When shared
138         policy support was added to Linux, the associated data structures were
139         added to hugetlbfs shmem segments.  At the time, hugetlbfs did not
140         support allocation at fault time--a.k.a lazy allocation--so hugetlbfs
141         shmem segments were never "hooked up" to the shared policy support.
142         Although hugetlbfs segments now support lazy allocation, their support
143         for shared policy has not been completed.
144
145         As mentioned above in :ref:`VMA policies <vma_policy>` section,
146         allocations of page cache pages for regular files mmap()ed
147         with MAP_SHARED ignore any VMA policy installed on the virtual
148         address range backed by the shared file mapping.  Rather,
149         shared page cache pages, including pages backing private
150         mappings that have not yet been written by the task, follow
151         task policy, if any, else System Default Policy.
152
153         The shared policy infrastructure supports different policies on subset
154         ranges of the shared object.  However, Linux still splits the VMA of
155         the task that installs the policy for each range of distinct policy.
156         Thus, different tasks that attach to a shared memory segment can have
157         different VMA configurations mapping that one shared object.  This
158         can be seen by examining the /proc/<pid>/numa_maps of tasks sharing
159         a shared memory region, when one task has installed shared policy on
160         one or more ranges of the region.
161
162 Components of Memory Policies
163 -----------------------------
164
165 A NUMA memory policy consists of a "mode", optional mode flags, and
166 an optional set of nodes.  The mode determines the behavior of the
167 policy, the optional mode flags determine the behavior of the mode,
168 and the optional set of nodes can be viewed as the arguments to the
169 policy behavior.
170
171 Internally, memory policies are implemented by a reference counted
172 structure, struct mempolicy.  Details of this structure will be
173 discussed in context, below, as required to explain the behavior.
174
175 NUMA memory policy supports the following 4 behavioral modes:
176
177 Default Mode--MPOL_DEFAULT
178         This mode is only used in the memory policy APIs.  Internally,
179         MPOL_DEFAULT is converted to the NULL memory policy in all
180         policy scopes.  Any existing non-default policy will simply be
181         removed when MPOL_DEFAULT is specified.  As a result,
182         MPOL_DEFAULT means "fall back to the next most specific policy
183         scope."
184
185         For example, a NULL or default task policy will fall back to the
186         system default policy.  A NULL or default vma policy will fall
187         back to the task policy.
188
189         When specified in one of the memory policy APIs, the Default mode
190         does not use the optional set of nodes.
191
192         It is an error for the set of nodes specified for this policy to
193         be non-empty.
194
195 MPOL_BIND
196         This mode specifies that memory must come from the set of
197         nodes specified by the policy.  Memory will be allocated from
198         the node in the set with sufficient free memory that is
199         closest to the node where the allocation takes place.
200
201 MPOL_PREFERRED
202         This mode specifies that the allocation should be attempted
203         from the single node specified in the policy.  If that
204         allocation fails, the kernel will search other nodes, in order
205         of increasing distance from the preferred node based on
206         information provided by the platform firmware.
207
208         Internally, the Preferred policy uses a single node--the
209         preferred_node member of struct mempolicy.  When the internal
210         mode flag MPOL_F_LOCAL is set, the preferred_node is ignored
211         and the policy is interpreted as local allocation.  "Local"
212         allocation policy can be viewed as a Preferred policy that
213         starts at the node containing the cpu where the allocation
214         takes place.
215
216         It is possible for the user to specify that local allocation
217         is always preferred by passing an empty nodemask with this
218         mode.  If an empty nodemask is passed, the policy cannot use
219         the MPOL_F_STATIC_NODES or MPOL_F_RELATIVE_NODES flags
220         described below.
221
222 MPOL_INTERLEAVED
223         This mode specifies that page allocations be interleaved, on a
224         page granularity, across the nodes specified in the policy.
225         This mode also behaves slightly differently, based on the
226         context where it is used:
227
228         For allocation of anonymous pages and shared memory pages,
229         Interleave mode indexes the set of nodes specified by the
230         policy using the page offset of the faulting address into the
231         segment [VMA] containing the address modulo the number of
232         nodes specified by the policy.  It then attempts to allocate a
233         page, starting at the selected node, as if the node had been
234         specified by a Preferred policy or had been selected by a
235         local allocation.  That is, allocation will follow the per
236         node zonelist.
237
238         For allocation of page cache pages, Interleave mode indexes
239         the set of nodes specified by the policy using a node counter
240         maintained per task.  This counter wraps around to the lowest
241         specified node after it reaches the highest specified node.
242         This will tend to spread the pages out over the nodes
243         specified by the policy based on the order in which they are
244         allocated, rather than based on any page offset into an
245         address range or file.  During system boot up, the temporary
246         interleaved system default policy works in this mode.
247
248 NUMA memory policy supports the following optional mode flags:
249
250 MPOL_F_STATIC_NODES
251         This flag specifies that the nodemask passed by
252         the user should not be remapped if the task or VMA's set of allowed
253         nodes changes after the memory policy has been defined.
254
255         Without this flag, any time a mempolicy is rebound because of a
256         change in the set of allowed nodes, the node (Preferred) or
257         nodemask (Bind, Interleave) is remapped to the new set of
258         allowed nodes.  This may result in nodes being used that were
259         previously undesired.
260
261         With this flag, if the user-specified nodes overlap with the
262         nodes allowed by the task's cpuset, then the memory policy is
263         applied to their intersection.  If the two sets of nodes do not
264         overlap, the Default policy is used.
265
266         For example, consider a task that is attached to a cpuset with
267         mems 1-3 that sets an Interleave policy over the same set.  If
268         the cpuset's mems change to 3-5, the Interleave will now occur
269         over nodes 3, 4, and 5.  With this flag, however, since only node
270         3 is allowed from the user's nodemask, the "interleave" only
271         occurs over that node.  If no nodes from the user's nodemask are
272         now allowed, the Default behavior is used.
273
274         MPOL_F_STATIC_NODES cannot be combined with the
275         MPOL_F_RELATIVE_NODES flag.  It also cannot be used for
276         MPOL_PREFERRED policies that were created with an empty nodemask
277         (local allocation).
278
279 MPOL_F_RELATIVE_NODES
280         This flag specifies that the nodemask passed
281         by the user will be mapped relative to the set of the task or VMA's
282         set of allowed nodes.  The kernel stores the user-passed nodemask,
283         and if the allowed nodes changes, then that original nodemask will
284         be remapped relative to the new set of allowed nodes.
285
286         Without this flag (and without MPOL_F_STATIC_NODES), anytime a
287         mempolicy is rebound because of a change in the set of allowed
288         nodes, the node (Preferred) or nodemask (Bind, Interleave) is
289         remapped to the new set of allowed nodes.  That remap may not
290         preserve the relative nature of the user's passed nodemask to its
291         set of allowed nodes upon successive rebinds: a nodemask of
292         1,3,5 may be remapped to 7-9 and then to 1-3 if the set of
293         allowed nodes is restored to its original state.
294
295         With this flag, the remap is done so that the node numbers from
296         the user's passed nodemask are relative to the set of allowed
297         nodes.  In other words, if nodes 0, 2, and 4 are set in the user's
298         nodemask, the policy will be effected over the first (and in the
299         Bind or Interleave case, the third and fifth) nodes in the set of
300         allowed nodes.  The nodemask passed by the user represents nodes
301         relative to task or VMA's set of allowed nodes.
302
303         If the user's nodemask includes nodes that are outside the range
304         of the new set of allowed nodes (for example, node 5 is set in
305         the user's nodemask when the set of allowed nodes is only 0-3),
306         then the remap wraps around to the beginning of the nodemask and,
307         if not already set, sets the node in the mempolicy nodemask.
308
309         For example, consider a task that is attached to a cpuset with
310         mems 2-5 that sets an Interleave policy over the same set with
311         MPOL_F_RELATIVE_NODES.  If the cpuset's mems change to 3-7, the
312         interleave now occurs over nodes 3,5-7.  If the cpuset's mems
313         then change to 0,2-3,5, then the interleave occurs over nodes
314         0,2-3,5.
315
316         Thanks to the consistent remapping, applications preparing
317         nodemasks to specify memory policies using this flag should
318         disregard their current, actual cpuset imposed memory placement
319         and prepare the nodemask as if they were always located on
320         memory nodes 0 to N-1, where N is the number of memory nodes the
321         policy is intended to manage.  Let the kernel then remap to the
322         set of memory nodes allowed by the task's cpuset, as that may
323         change over time.
324
325         MPOL_F_RELATIVE_NODES cannot be combined with the
326         MPOL_F_STATIC_NODES flag.  It also cannot be used for
327         MPOL_PREFERRED policies that were created with an empty nodemask
328         (local allocation).
329
330 Memory Policy Reference Counting
331 ================================
332
333 To resolve use/free races, struct mempolicy contains an atomic reference
334 count field.  Internal interfaces, mpol_get()/mpol_put() increment and
335 decrement this reference count, respectively.  mpol_put() will only free
336 the structure back to the mempolicy kmem cache when the reference count
337 goes to zero.
338
339 When a new memory policy is allocated, its reference count is initialized
340 to '1', representing the reference held by the task that is installing the
341 new policy.  When a pointer to a memory policy structure is stored in another
342 structure, another reference is added, as the task's reference will be dropped
343 on completion of the policy installation.
344
345 During run-time "usage" of the policy, we attempt to minimize atomic operations
346 on the reference count, as this can lead to cache lines bouncing between cpus
347 and NUMA nodes.  "Usage" here means one of the following:
348
349 1) querying of the policy, either by the task itself [using the get_mempolicy()
350    API discussed below] or by another task using the /proc/<pid>/numa_maps
351    interface.
352
353 2) examination of the policy to determine the policy mode and associated node
354    or node lists, if any, for page allocation.  This is considered a "hot
355    path".  Note that for MPOL_BIND, the "usage" extends across the entire
356    allocation process, which may sleep during page reclaimation, because the
357    BIND policy nodemask is used, by reference, to filter ineligible nodes.
358
359 We can avoid taking an extra reference during the usages listed above as
360 follows:
361
362 1) we never need to get/free the system default policy as this is never
363    changed nor freed, once the system is up and running.
364
365 2) for querying the policy, we do not need to take an extra reference on the
366    target task's task policy nor vma policies because we always acquire the
367    task's mm's mmap_sem for read during the query.  The set_mempolicy() and
368    mbind() APIs [see below] always acquire the mmap_sem for write when
369    installing or replacing task or vma policies.  Thus, there is no possibility
370    of a task or thread freeing a policy while another task or thread is
371    querying it.
372
373 3) Page allocation usage of task or vma policy occurs in the fault path where
374    we hold them mmap_sem for read.  Again, because replacing the task or vma
375    policy requires that the mmap_sem be held for write, the policy can't be
376    freed out from under us while we're using it for page allocation.
377
378 4) Shared policies require special consideration.  One task can replace a
379    shared memory policy while another task, with a distinct mmap_sem, is
380    querying or allocating a page based on the policy.  To resolve this
381    potential race, the shared policy infrastructure adds an extra reference
382    to the shared policy during lookup while holding a spin lock on the shared
383    policy management structure.  This requires that we drop this extra
384    reference when we're finished "using" the policy.  We must drop the
385    extra reference on shared policies in the same query/allocation paths
386    used for non-shared policies.  For this reason, shared policies are marked
387    as such, and the extra reference is dropped "conditionally"--i.e., only
388    for shared policies.
389
390    Because of this extra reference counting, and because we must lookup
391    shared policies in a tree structure under spinlock, shared policies are
392    more expensive to use in the page allocation path.  This is especially
393    true for shared policies on shared memory regions shared by tasks running
394    on different NUMA nodes.  This extra overhead can be avoided by always
395    falling back to task or system default policy for shared memory regions,
396    or by prefaulting the entire shared memory region into memory and locking
397    it down.  However, this might not be appropriate for all applications.
398
399 .. _memory_policy_apis:
400
401 Memory Policy APIs
402 ==================
403
404 Linux supports 3 system calls for controlling memory policy.  These APIS
405 always affect only the calling task, the calling task's address space, or
406 some shared object mapped into the calling task's address space.
407
408 .. note::
409    the headers that define these APIs and the parameter data types for
410    user space applications reside in a package that is not part of the
411    Linux kernel.  The kernel system call interfaces, with the 'sys\_'
412    prefix, are defined in <linux/syscalls.h>; the mode and flag
413    definitions are defined in <linux/mempolicy.h>.
414
415 Set [Task] Memory Policy::
416
417         long set_mempolicy(int mode, const unsigned long *nmask,
418                                         unsigned long maxnode);
419
420 Set's the calling task's "task/process memory policy" to mode
421 specified by the 'mode' argument and the set of nodes defined by
422 'nmask'.  'nmask' points to a bit mask of node ids containing at least
423 'maxnode' ids.  Optional mode flags may be passed by combining the
424 'mode' argument with the flag (for example: MPOL_INTERLEAVE |
425 MPOL_F_STATIC_NODES).
426
427 See the set_mempolicy(2) man page for more details
428
429
430 Get [Task] Memory Policy or Related Information::
431
432         long get_mempolicy(int *mode,
433                            const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
434                            void *addr, int flags);
435
436 Queries the "task/process memory policy" of the calling task, or the
437 policy or location of a specified virtual address, depending on the
438 'flags' argument.
439
440 See the get_mempolicy(2) man page for more details
441
442
443 Install VMA/Shared Policy for a Range of Task's Address Space::
444
445         long mbind(void *start, unsigned long len, int mode,
446                    const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
447                    unsigned flags);
448
449 mbind() installs the policy specified by (mode, nmask, maxnodes) as a
450 VMA policy for the range of the calling task's address space specified
451 by the 'start' and 'len' arguments.  Additional actions may be
452 requested via the 'flags' argument.
453
454 See the mbind(2) man page for more details.
455
456 Memory Policy Command Line Interface
457 ====================================
458
459 Although not strictly part of the Linux implementation of memory policy,
460 a command line tool, numactl(8), exists that allows one to:
461
462 + set the task policy for a specified program via set_mempolicy(2), fork(2) and
463   exec(2)
464
465 + set the shared policy for a shared memory segment via mbind(2)
466
467 The numactl(8) tool is packaged with the run-time version of the library
468 containing the memory policy system call wrappers.  Some distributions
469 package the headers and compile-time libraries in a separate development
470 package.
471
472 .. _mem_pol_and_cpusets:
473
474 Memory Policies and cpusets
475 ===========================
476
477 Memory policies work within cpusets as described above.  For memory policies
478 that require a node or set of nodes, the nodes are restricted to the set of
479 nodes whose memories are allowed by the cpuset constraints.  If the nodemask
480 specified for the policy contains nodes that are not allowed by the cpuset and
481 MPOL_F_RELATIVE_NODES is not used, the intersection of the set of nodes
482 specified for the policy and the set of nodes with memory is used.  If the
483 result is the empty set, the policy is considered invalid and cannot be
484 installed.  If MPOL_F_RELATIVE_NODES is used, the policy's nodes are mapped
485 onto and folded into the task's set of allowed nodes as previously described.
486
487 The interaction of memory policies and cpusets can be problematic when tasks
488 in two cpusets share access to a memory region, such as shared memory segments
489 created by shmget() of mmap() with the MAP_ANONYMOUS and MAP_SHARED flags, and
490 any of the tasks install shared policy on the region, only nodes whose
491 memories are allowed in both cpusets may be used in the policies.  Obtaining
492 this information requires "stepping outside" the memory policy APIs to use the
493 cpuset information and requires that one know in what cpusets other task might
494 be attaching to the shared region.  Furthermore, if the cpusets' allowed
495 memory sets are disjoint, "local" allocation is the only valid policy.