Documentation/cgroups/memcg_test.txt

   1 Memory Resource Controller(Memcg)  Implementation Memo.
   2 Last Updated: 2010/2
   3 Base Kernel Version: based on 2.6.33-rc7-mm(candidate for 34).
   4
   5 Because VM is getting complex (one of reasons is memcg...), memcg's behavior
   6 is complex. This is a document for memcg's internal behavior.
   7 Please note that implementation details can be changed.
   8
   9 (*) Topics on API should be in Documentation/cgroups/memory.txt)
  10
  11 0. How to record usage ?
  12    2 objects are used.
  13
  14    page_cgroup ....an object per page.
  15         Allocated at boot or memory hotplug. Freed at memory hot removal.
  16
  17    swap_cgroup ... an entry per swp_entry.
  18         Allocated at swapon(). Freed at swapoff().
  19
  20    The page_cgroup has USED bit and double count against a page_cgroup never
  21    occurs. swap_cgroup is used only when a charged page is swapped-out.
  22
  23 1. Charge
  24
  25    a page/swp_entry may be charged (usage += PAGE_SIZE) at
  26
  27         mem_cgroup_newpage_charge()
  28           Called at new page fault and Copy-On-Write.
  29
  30         mem_cgroup_try_charge_swapin()
  31           Called at do_swap_page() (page fault on swap entry) and swapoff.
  32           Followed by charge-commit-cancel protocol. (With swap accounting)
  33           At commit, a charge recorded in swap_cgroup is removed.
  34
  35         mem_cgroup_cache_charge()
  36           Called at add_to_page_cache()
  37
  38         mem_cgroup_cache_charge_swapin()
  39           Called at shmem's swapin.
  40
  41         mem_cgroup_prepare_migration()
  42           Called before migration. "extra" charge is done and followed by
  43           charge-commit-cancel protocol.
  44           At commit, charge against oldpage or newpage will be committed.
  45
  46 2. Uncharge
  47   a page/swp_entry may be uncharged (usage -= PAGE_SIZE) by
  48
  49         mem_cgroup_uncharge_page()
  50           Called when an anonymous page is fully unmapped. I.e., mapcount goes
  51           to 0. If the page is SwapCache, uncharge is delayed until
  52           mem_cgroup_uncharge_swapcache().
  53
  54         mem_cgroup_uncharge_cache_page()
  55           Called when a page-cache is deleted from radix-tree. If the page is
  56           SwapCache, uncharge is delayed until mem_cgroup_uncharge_swapcache().
  57
  58         mem_cgroup_uncharge_swapcache()
  59           Called when SwapCache is removed from radix-tree. The charge itself
  60           is moved to swap_cgroup. (If mem+swap controller is disabled, no
  61           charge to swap occurs.)
  62
  63         mem_cgroup_uncharge_swap()
  64           Called when swp_entry's refcnt goes down to 0. A charge against swap
  65           disappears.
  66
  67         mem_cgroup_end_migration(old, new)
  68         At success of migration old is uncharged (if necessary), a charge
  69         to new page is committed. At failure, charge to old page is committed.
  70
  71 3. charge-commit-cancel
  72         In some case, we can't know this "charge" is valid or not at charging
  73         (because of races).
  74         To handle such case, there are charge-commit-cancel functions.
  75                 mem_cgroup_try_charge_XXX
  76                 mem_cgroup_commit_charge_XXX
  77                 mem_cgroup_cancel_charge_XXX
  78         these are used in swap-in and migration.
  79
  80         At try_charge(), there are no flags to say "this page is charged".
  81         at this point, usage += PAGE_SIZE.
  82
  83         At commit(), the function checks the page should be charged or not
  84         and set flags or avoid charging.(usage -= PAGE_SIZE)
  85
  86         At cancel(), simply usage -= PAGE_SIZE.
  87
  88 Under below explanation, we assume CONFIG_MEM_RES_CTRL_SWAP=y.
  89
  90 4. Anonymous
  91         Anonymous page is newly allocated at
  92                   - page fault into MAP_ANONYMOUS mapping.
  93                   - Copy-On-Write.
  94         It is charged right after it's allocated before doing any page table
  95         related operations. Of course, it's uncharged when another page is used
  96         for the fault address.
  97
  98         At freeing anonymous page (by exit() or munmap()), zap_pte() is called
  99         and pages for ptes are freed one by one.(see mm/memory.c). Uncharges
 100         are done at page_remove_rmap() when page_mapcount() goes down to 0.
 101
 102         Another page freeing is by page-reclaim (vmscan.c) and anonymous
 103         pages are swapped out. In this case, the page is marked as
 104         PageSwapCache(). uncharge() routine doesn't uncharge the page marked
 105         as SwapCache(). It's delayed until __delete_from_swap_cache().
 106
 107         4.1 Swap-in.
 108         At swap-in, the page is taken from swap-cache. There are 2 cases.
 109
 110         (a) If the SwapCache is newly allocated and read, it has no charges.
 111         (b) If the SwapCache has been mapped by processes, it has been
 112             charged already.
 113
 114         This swap-in is one of the most complicated work. In do_swap_page(),
 115         following events occur when pte is unchanged.
 116
 117         (1) the page (SwapCache) is looked up.
 118         (2) lock_page()
 119         (3) try_charge_swapin()
 120         (4) reuse_swap_page() (may call delete_swap_cache())
 121         (5) commit_charge_swapin()
 122         (6) swap_free().
 123
 124         Considering following situation for example.
 125
 126         (A) The page has not been charged before (2) and reuse_swap_page()
 127             doesn't call delete_from_swap_cache().
 128         (B) The page has not been charged before (2) and reuse_swap_page()
 129             calls delete_from_swap_cache().
 130         (C) The page has been charged before (2) and reuse_swap_page() doesn't
 131             call delete_from_swap_cache().
 132         (D) The page has been charged before (2) and reuse_swap_page() calls
 133             delete_from_swap_cache().
 134
 135             memory.usage/memsw.usage changes to this page/swp_entry will be
 136          Case          (A)      (B)       (C)     (D)
 137          Event
 138        Before (2)     0/ 1     0/ 1      1/ 1    1/ 1
 139           ===========================================
 140           (3)        +1/+1    +1/+1     +1/+1   +1/+1
 141           (4)          -       0/ 0       -     -1/ 0
 142           (5)         0/-1     0/ 0     -1/-1    0/ 0
 143           (6)          -       0/-1       -      0/-1
 144           ===========================================
 145        Result         1/ 1     1/ 1      1/ 1    1/ 1
 146
 147        In any cases, charges to this page should be 1/ 1.
 148
 149         4.2 Swap-out.
 150         At swap-out, typical state transition is below.
 151
 152         (a) add to swap cache. (marked as SwapCache)
 153             swp_entry's refcnt += 1.
 154         (b) fully unmapped.
 155             swp_entry's refcnt += # of ptes.
 156         (c) write back to swap.
 157         (d) delete from swap cache. (remove from SwapCache)
 158             swp_entry's refcnt -= 1.
 159
 160
 161         At (b), the page is marked as SwapCache and not uncharged.
 162         At (d), the page is removed from SwapCache and a charge in page_cgroup
 163         is moved to swap_cgroup.
 164
 165         Finally, at task exit,
 166         (e) zap_pte() is called and swp_entry's refcnt -=1 -> 0.
 167         Here, a charge in swap_cgroup disappears.
 168
 169 5. Page Cache
 170         Page Cache is charged at
 171         - add_to_page_cache_locked().
 172
 173         uncharged at
 174         - __remove_from_page_cache().
 175
 176         The logic is very clear. (About migration, see below)
 177         Note: __remove_from_page_cache() is called by remove_from_page_cache()
 178         and __remove_mapping().
 179
 180 6. Shmem(tmpfs) Page Cache
 181         Memcg's charge/uncharge have special handlers of shmem. The best way
 182         to understand shmem's page state transition is to read mm/shmem.c.
 183         But brief explanation of the behavior of memcg around shmem will be
 184         helpful to understand the logic.
 185
 186         Shmem's page (just leaf page, not direct/indirect block) can be on
 187                 - radix-tree of shmem's inode.
 188                 - SwapCache.
 189                 - Both on radix-tree and SwapCache. This happens at swap-in
 190                   and swap-out,
 191
 192         It's charged when...
 193         - A new page is added to shmem's radix-tree.
 194         - A swp page is read. (move a charge from swap_cgroup to page_cgroup)
 195         It's uncharged when
 196         - A page is removed from radix-tree and not SwapCache.
 197         - When SwapCache is removed, a charge is moved to swap_cgroup.
 198         - When swp_entry's refcnt goes down to 0, a charge in swap_cgroup
 199           disappears.
 200
 201 7. Page Migration
 202         One of the most complicated functions is page-migration-handler.
 203         Memcg has 2 routines. Assume that we are migrating a page's contents
 204         from OLDPAGE to NEWPAGE.
 205
 206         Usual migration logic is..
 207         (a) remove the page from LRU.
 208         (b) allocate NEWPAGE (migration target)
 209         (c) lock by lock_page().
 210         (d) unmap all mappings.
 211         (e-1) If necessary, replace entry in radix-tree.
 212         (e-2) move contents of a page.
 213         (f) map all mappings again.
 214         (g) pushback the page to LRU.
 215         (-) OLDPAGE will be freed.
 216
 217         Before (g), memcg should complete all necessary charge/uncharge to
 218         NEWPAGE/OLDPAGE.
 219
 220         The point is....
 221         - If OLDPAGE is anonymous, all charges will be dropped at (d) because
 222           try_to_unmap() drops all mapcount and the page will not be
 223           SwapCache.
 224
 225         - If OLDPAGE is SwapCache, charges will be kept at (g) because
 226           __delete_from_swap_cache() isn't called at (e-1)
 227
 228         - If OLDPAGE is page-cache, charges will be kept at (g) because
 229           remove_from_swap_cache() isn't called at (e-1)
 230
 231         memcg provides following hooks.
 232
 233         - mem_cgroup_prepare_migration(OLDPAGE)
 234           Called after (b) to account a charge (usage += PAGE_SIZE) against
 235           memcg which OLDPAGE belongs to.
 236
 237         - mem_cgroup_end_migration(OLDPAGE, NEWPAGE)
 238           Called after (f) before (g).
 239           If OLDPAGE is used, commit OLDPAGE again. If OLDPAGE is already
 240           charged, a charge by prepare_migration() is automatically canceled.
 241           If NEWPAGE is used, commit NEWPAGE and uncharge OLDPAGE.
 242
 243           But zap_pte() (by exit or munmap) can be called while migration,
 244           we have to check if OLDPAGE/NEWPAGE is a valid page after commit().
 245
 246 8. LRU
 247         Each memcg has its own private LRU. Now, it's handling is under global
 248         VM's control (means that it's handled under global zone->lru_lock).
 249         Almost all routines around memcg's LRU is called by global LRU's
 250         list management functions under zone->lru_lock().
 251
 252         A special function is mem_cgroup_isolate_pages(). This scans
 253         memcg's private LRU and call __isolate_lru_page() to extract a page
 254         from LRU.
 255         (By __isolate_lru_page(), the page is removed from both of global and
 256          private LRU.)
 257
 258
 259 9. Typical Tests.
 260
 261  Tests for racy cases.
 262
 263  9.1 Small limit to memcg.
 264         When you do test to do racy case, it's good test to set memcg's limit
 265         to be very small rather than GB. Many races found in the test under
 266         xKB or xxMB limits.
 267         (Memory behavior under GB and Memory behavior under MB shows very
 268          different situation.)
 269
 270  9.2 Shmem
 271         Historically, memcg's shmem handling was poor and we saw some amount
 272         of troubles here. This is because shmem is page-cache but can be
 273         SwapCache. Test with shmem/tmpfs is always good test.
 274
 275  9.3 Migration
 276         For NUMA, migration is an another special case. To do easy test, cpuset
 277         is useful. Following is a sample script to do migration.
 278
 279         mount -t cgroup -o cpuset none /opt/cpuset
 280
 281         mkdir /opt/cpuset/01
 282         echo 1 > /opt/cpuset/01/cpuset.cpus
 283         echo 0 > /opt/cpuset/01/cpuset.mems
 284         echo 1 > /opt/cpuset/01/cpuset.memory_migrate
 285         mkdir /opt/cpuset/02
 286         echo 1 > /opt/cpuset/02/cpuset.cpus
 287         echo 1 > /opt/cpuset/02/cpuset.mems
 288         echo 1 > /opt/cpuset/02/cpuset.memory_migrate
 289
 290         In above set, when you moves a task from 01 to 02, page migration to
 291         node 0 to node 1 will occur. Following is a script to migrate all
 292         under cpuset.
 293         --
 294         move_task()
 295         {
 296         for pid in $1
 297         do
 298                 /bin/echo $pid >$2/tasks 2>/dev/null
 299                 echo -n $pid
 300                 echo -n " "
 301         done
 302         echo END
 303         }
 304
 305         G1_TASK=`cat ${G1}/tasks`
 306         G2_TASK=`cat ${G2}/tasks`
 307         move_task "${G1_TASK}" ${G2} &
 308         --
 309  9.4 Memory hotplug.
 310         memory hotplug test is one of good test.
 311         to offline memory, do following.
 312         # echo offline > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
 313         (XXX is the place of memory)
 314         This is an easy way to test page migration, too.
 315
 316  9.5 mkdir/rmdir
 317         When using hierarchy, mkdir/rmdir test should be done.
 318         Use tests like the following.
 319
 320         echo 1 >/opt/cgroup/01/memory/use_hierarchy
 321         mkdir /opt/cgroup/01/child_a
 322         mkdir /opt/cgroup/01/child_b
 323
 324         set limit to 01.
 325         add limit to 01/child_b
 326         run jobs under child_a and child_b
 327
 328         create/delete following groups at random while jobs are running.
 329         /opt/cgroup/01/child_a/child_aa
 330         /opt/cgroup/01/child_b/child_bb
 331         /opt/cgroup/01/child_c
 332
 333         running new jobs in new group is also good.
 334
 335  9.6 Mount with other subsystems.
 336         Mounting with other subsystems is a good test because there is a
 337         race and lock dependency with other cgroup subsystems.
 338
 339         example)
 340         # mount -t cgroup none /cgroup -o cpuset,memory,cpu,devices
 341
 342         and do task move, mkdir, rmdir etc...under this.
 343
 344  9.7 swapoff.
 345         Besides management of swap is one of complicated parts of memcg,
 346         call path of swap-in at swapoff is not same as usual swap-in path..
 347         It's worth to be tested explicitly.
 348
 349         For example, test like following is good.
 350         (Shell-A)
 351         # mount -t cgroup none /cgroup -o memory
 352         # mkdir /cgroup/test
 353         # echo 40M > /cgroup/test/memory.limit_in_bytes
 354         # echo 0 > /cgroup/test/tasks
 355         Run malloc(100M) program under this. You'll see 60M of swaps.
 356         (Shell-B)
 357         # move all tasks in /cgroup/test to /cgroup
 358         # /sbin/swapoff -a
 359         # rmdir /cgroup/test
 360         # kill malloc task.
 361
 362         Of course, tmpfs v.s. swapoff test should be tested, too.
 363
 364  9.8 OOM-Killer
 365         Out-of-memory caused by memcg's limit will kill tasks under
 366         the memcg. When hierarchy is used, a task under hierarchy
 367         will be killed by the kernel.
 368         In this case, panic_on_oom shouldn't be invoked and tasks
 369         in other groups shouldn't be killed.
 370
 371         It's not difficult to cause OOM under memcg as following.
 372         Case A) when you can swapoff
 373         #swapoff -a
 374         #echo 50M > /memory.limit_in_bytes
 375         run 51M of malloc
 376
 377         Case B) when you use mem+swap limitation.
 378         #echo 50M > memory.limit_in_bytes
 379         #echo 50M > memory.memsw.limit_in_bytes
 380         run 51M of malloc
 381
 382  9.9 Move charges at task migration
 383         Charges associated with a task can be moved along with task migration.
 384
 385         (Shell-A)
 386         #mkdir /cgroup/A
 387         #echo $$ >/cgroup/A/tasks
 388         run some programs which uses some amount of memory in /cgroup/A.
 389
 390         (Shell-B)
 391         #mkdir /cgroup/B
 392         #echo 1 >/cgroup/B/memory.move_charge_at_immigrate
 393         #echo "pid of the program running in group A" >/cgroup/B/tasks
 394
 395         You can see charges have been moved by reading *.usage_in_bytes or
 396         memory.stat of both A and B.
 397         See 8.2 of Documentation/cgroups/memory.txt to see what value should be
 398         written to move_charge_at_immigrate.
 399
 400  9.10 Memory thresholds
 401         Memory controler implements memory thresholds using cgroups notification
 402         API. You can use Documentation/cgroups/cgroup_event_listener.c to test
 403         it.
 404
 405         (Shell-A) Create cgroup and run event listener
 406         # mkdir /cgroup/A
 407         # ./cgroup_event_listener /cgroup/A/memory.usage_in_bytes 5M
 408
 409         (Shell-B) Add task to cgroup and try to allocate and free memory
 410         # echo $$ >/cgroup/A/tasks
 411         # a="$(dd if=/dev/zero bs=1M count=10)"
 412         # a=
 413
 414         You will see message from cgroup_event_listener every time you cross
 415         the thresholds.
 416
 417         Use /cgroup/A/memory.memsw.usage_in_bytes to test memsw thresholds.
 418
 419         It's good idea to test root cgroup as well.