Merge tag 'asoc-fix-v5.4-rc6' of https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / vm / hmm.rst
1 .. hmm:
2
3 =====================================
4 Heterogeneous Memory Management (HMM)
5 =====================================
6
7 Provide infrastructure and helpers to integrate non-conventional memory (device
8 memory like GPU on board memory) into regular kernel path, with the cornerstone
9 of this being specialized struct page for such memory (see sections 5 to 7 of
10 this document).
11
12 HMM also provides optional helpers for SVM (Share Virtual Memory), i.e.,
13 allowing a device to transparently access program addresses coherently with
14 the CPU meaning that any valid pointer on the CPU is also a valid pointer
15 for the device. This is becoming mandatory to simplify the use of advanced
16 heterogeneous computing where GPU, DSP, or FPGA are used to perform various
17 computations on behalf of a process.
18
19 This document is divided as follows: in the first section I expose the problems
20 related to using device specific memory allocators. In the second section, I
21 expose the hardware limitations that are inherent to many platforms. The third
22 section gives an overview of the HMM design. The fourth section explains how
23 CPU page-table mirroring works and the purpose of HMM in this context. The
24 fifth section deals with how device memory is represented inside the kernel.
25 Finally, the last section presents a new migration helper that allows
26 leveraging the device DMA engine.
27
28 .. contents:: :local:
29
30 Problems of using a device specific memory allocator
31 ====================================================
32
33 Devices with a large amount of on board memory (several gigabytes) like GPUs
34 have historically managed their memory through dedicated driver specific APIs.
35 This creates a disconnect between memory allocated and managed by a device
36 driver and regular application memory (private anonymous, shared memory, or
37 regular file backed memory). From here on I will refer to this aspect as split
38 address space. I use shared address space to refer to the opposite situation:
39 i.e., one in which any application memory region can be used by a device
40 transparently.
41
42 Split address space happens because devices can only access memory allocated
43 through a device specific API. This implies that all memory objects in a program
44 are not equal from the device point of view which complicates large programs
45 that rely on a wide set of libraries.
46
47 Concretely, this means that code that wants to leverage devices like GPUs needs
48 to copy objects between generically allocated memory (malloc, mmap private, mmap
49 share) and memory allocated through the device driver API (this still ends up
50 with an mmap but of the device file).
51
52 For flat data sets (array, grid, image, ...) this isn't too hard to achieve but
53 for complex data sets (list, tree, ...) it's hard to get right. Duplicating a
54 complex data set needs to re-map all the pointer relations between each of its
55 elements. This is error prone and programs get harder to debug because of the
56 duplicate data set and addresses.
57
58 Split address space also means that libraries cannot transparently use data
59 they are getting from the core program or another library and thus each library
60 might have to duplicate its input data set using the device specific memory
61 allocator. Large projects suffer from this and waste resources because of the
62 various memory copies.
63
64 Duplicating each library API to accept as input or output memory allocated by
65 each device specific allocator is not a viable option. It would lead to a
66 combinatorial explosion in the library entry points.
67
68 Finally, with the advance of high level language constructs (in C++ but in
69 other languages too) it is now possible for the compiler to leverage GPUs and
70 other devices without programmer knowledge. Some compiler identified patterns
71 are only do-able with a shared address space. It is also more reasonable to use
72 a shared address space for all other patterns.
73
74
75 I/O bus, device memory characteristics
76 ======================================
77
78 I/O buses cripple shared address spaces due to a few limitations. Most I/O
79 buses only allow basic memory access from device to main memory; even cache
80 coherency is often optional. Access to device memory from a CPU is even more
81 limited. More often than not, it is not cache coherent.
82
83 If we only consider the PCIE bus, then a device can access main memory (often
84 through an IOMMU) and be cache coherent with the CPUs. However, it only allows
85 a limited set of atomic operations from the device on main memory. This is worse
86 in the other direction: the CPU can only access a limited range of the device
87 memory and cannot perform atomic operations on it. Thus device memory cannot
88 be considered the same as regular memory from the kernel point of view.
89
90 Another crippling factor is the limited bandwidth (~32GBytes/s with PCIE 4.0
91 and 16 lanes). This is 33 times less than the fastest GPU memory (1 TBytes/s).
92 The final limitation is latency. Access to main memory from the device has an
93 order of magnitude higher latency than when the device accesses its own memory.
94
95 Some platforms are developing new I/O buses or additions/modifications to PCIE
96 to address some of these limitations (OpenCAPI, CCIX). They mainly allow
97 two-way cache coherency between CPU and device and allow all atomic operations the
98 architecture supports. Sadly, not all platforms are following this trend and
99 some major architectures are left without hardware solutions to these problems.
100
101 So for shared address space to make sense, not only must we allow devices to
102 access any memory but we must also permit any memory to be migrated to device
103 memory while the device is using it (blocking CPU access while it happens).
104
105
106 Shared address space and migration
107 ==================================
108
109 HMM intends to provide two main features. The first one is to share the address
110 space by duplicating the CPU page table in the device page table so the same
111 address points to the same physical memory for any valid main memory address in
112 the process address space.
113
114 To achieve this, HMM offers a set of helpers to populate the device page table
115 while keeping track of CPU page table updates. Device page table updates are
116 not as easy as CPU page table updates. To update the device page table, you must
117 allocate a buffer (or use a pool of pre-allocated buffers) and write GPU
118 specific commands in it to perform the update (unmap, cache invalidations, and
119 flush, ...). This cannot be done through common code for all devices. Hence
120 why HMM provides helpers to factor out everything that can be while leaving the
121 hardware specific details to the device driver.
122
123 The second mechanism HMM provides is a new kind of ZONE_DEVICE memory that
124 allows allocating a struct page for each page of device memory. Those pages
125 are special because the CPU cannot map them. However, they allow migrating
126 main memory to device memory using existing migration mechanisms and everything
127 looks like a page that is swapped out to disk from the CPU point of view. Using a
128 struct page gives the easiest and cleanest integration with existing mm
129 mechanisms. Here again, HMM only provides helpers, first to hotplug new ZONE_DEVICE
130 memory for the device memory and second to perform migration. Policy decisions
131 of what and when to migrate is left to the device driver.
132
133 Note that any CPU access to a device page triggers a page fault and a migration
134 back to main memory. For example, when a page backing a given CPU address A is
135 migrated from a main memory page to a device page, then any CPU access to
136 address A triggers a page fault and initiates a migration back to main memory.
137
138 With these two features, HMM not only allows a device to mirror process address
139 space and keeps both CPU and device page tables synchronized, but also
140 leverages device memory by migrating the part of the data set that is actively being
141 used by the device.
142
143
144 Address space mirroring implementation and API
145 ==============================================
146
147 Address space mirroring's main objective is to allow duplication of a range of
148 CPU page table into a device page table; HMM helps keep both synchronized. A
149 device driver that wants to mirror a process address space must start with the
150 registration of an hmm_mirror struct::
151
152  int hmm_mirror_register(struct hmm_mirror *mirror,
153                          struct mm_struct *mm);
154
155 The mirror struct has a set of callbacks that are used
156 to propagate CPU page tables::
157
158  struct hmm_mirror_ops {
159      /* release() - release hmm_mirror
160       *
161       * @mirror: pointer to struct hmm_mirror
162       *
163       * This is called when the mm_struct is being released.  The callback
164       * must ensure that all access to any pages obtained from this mirror
165       * is halted before the callback returns. All future access should
166       * fault.
167       */
168      void (*release)(struct hmm_mirror *mirror);
169
170      /* sync_cpu_device_pagetables() - synchronize page tables
171       *
172       * @mirror: pointer to struct hmm_mirror
173       * @update: update information (see struct mmu_notifier_range)
174       * Return: -EAGAIN if update.blockable false and callback need to
175       *         block, 0 otherwise.
176       *
177       * This callback ultimately originates from mmu_notifiers when the CPU
178       * page table is updated. The device driver must update its page table
179       * in response to this callback. The update argument tells what action
180       * to perform.
181       *
182       * The device driver must not return from this callback until the device
183       * page tables are completely updated (TLBs flushed, etc); this is a
184       * synchronous call.
185       */
186      int (*sync_cpu_device_pagetables)(struct hmm_mirror *mirror,
187                                        const struct hmm_update *update);
188  };
189
190 The device driver must perform the update action to the range (mark range
191 read only, or fully unmap, etc.). The device must complete the update before
192 the driver callback returns.
193
194 When the device driver wants to populate a range of virtual addresses, it can
195 use::
196
197   long hmm_range_fault(struct hmm_range *range, unsigned int flags);
198
199 With the HMM_RANGE_SNAPSHOT flag, it will only fetch present CPU page table
200 entries and will not trigger a page fault on missing or non-present entries.
201 Without that flag, it does trigger a page fault on missing or read-only entries
202 if write access is requested (see below). Page faults use the generic mm page
203 fault code path just like a CPU page fault.
204
205 Both functions copy CPU page table entries into their pfns array argument. Each
206 entry in that array corresponds to an address in the virtual range. HMM
207 provides a set of flags to help the driver identify special CPU page table
208 entries.
209
210 Locking within the sync_cpu_device_pagetables() callback is the most important
211 aspect the driver must respect in order to keep things properly synchronized.
212 The usage pattern is::
213
214  int driver_populate_range(...)
215  {
216       struct hmm_range range;
217       ...
218
219       range.start = ...;
220       range.end = ...;
221       range.pfns = ...;
222       range.flags = ...;
223       range.values = ...;
224       range.pfn_shift = ...;
225       hmm_range_register(&range, mirror);
226
227       /*
228        * Just wait for range to be valid, safe to ignore return value as we
229        * will use the return value of hmm_range_fault() below under the
230        * mmap_sem to ascertain the validity of the range.
231        */
232       hmm_range_wait_until_valid(&range, TIMEOUT_IN_MSEC);
233
234  again:
235       down_read(&mm->mmap_sem);
236       ret = hmm_range_fault(&range, HMM_RANGE_SNAPSHOT);
237       if (ret) {
238           up_read(&mm->mmap_sem);
239           if (ret == -EBUSY) {
240             /*
241              * No need to check hmm_range_wait_until_valid() return value
242              * on retry we will get proper error with hmm_range_fault()
243              */
244             hmm_range_wait_until_valid(&range, TIMEOUT_IN_MSEC);
245             goto again;
246           }
247           hmm_range_unregister(&range);
248           return ret;
249       }
250       take_lock(driver->update);
251       if (!hmm_range_valid(&range)) {
252           release_lock(driver->update);
253           up_read(&mm->mmap_sem);
254           goto again;
255       }
256
257       // Use pfns array content to update device page table
258
259       hmm_range_unregister(&range);
260       release_lock(driver->update);
261       up_read(&mm->mmap_sem);
262       return 0;
263  }
264
265 The driver->update lock is the same lock that the driver takes inside its
266 sync_cpu_device_pagetables() callback. That lock must be held before calling
267 hmm_range_valid() to avoid any race with a concurrent CPU page table update.
268
269 HMM implements all this on top of the mmu_notifier API because we wanted a
270 simpler API and also to be able to perform optimizations latter on like doing
271 concurrent device updates in multi-devices scenario.
272
273 HMM also serves as an impedance mismatch between how CPU page table updates
274 are done (by CPU write to the page table and TLB flushes) and how devices
275 update their own page table. Device updates are a multi-step process. First,
276 appropriate commands are written to a buffer, then this buffer is scheduled for
277 execution on the device. It is only once the device has executed commands in
278 the buffer that the update is done. Creating and scheduling the update command
279 buffer can happen concurrently for multiple devices. Waiting for each device to
280 report commands as executed is serialized (there is no point in doing this
281 concurrently).
282
283
284 Leverage default_flags and pfn_flags_mask
285 =========================================
286
287 The hmm_range struct has 2 fields, default_flags and pfn_flags_mask, that specify
288 fault or snapshot policy for the whole range instead of having to set them
289 for each entry in the pfns array.
290
291 For instance, if the device flags for range.flags are::
292
293     range.flags[HMM_PFN_VALID] = (1 << 63);
294     range.flags[HMM_PFN_WRITE] = (1 << 62);
295
296 and the device driver wants pages for a range with at least read permission,
297 it sets::
298
299     range->default_flags = (1 << 63);
300     range->pfn_flags_mask = 0;
301
302 and calls hmm_range_fault() as described above. This will fill fault all pages
303 in the range with at least read permission.
304
305 Now let's say the driver wants to do the same except for one page in the range for
306 which it wants to have write permission. Now driver set::
307
308     range->default_flags = (1 << 63);
309     range->pfn_flags_mask = (1 << 62);
310     range->pfns[index_of_write] = (1 << 62);
311
312 With this, HMM will fault in all pages with at least read (i.e., valid) and for the
313 address == range->start + (index_of_write << PAGE_SHIFT) it will fault with
314 write permission i.e., if the CPU pte does not have write permission set then HMM
315 will call handle_mm_fault().
316
317 Note that HMM will populate the pfns array with write permission for any page
318 that is mapped with CPU write permission no matter what values are set
319 in default_flags or pfn_flags_mask.
320
321
322 Represent and manage device memory from core kernel point of view
323 =================================================================
324
325 Several different designs were tried to support device memory. The first one
326 used a device specific data structure to keep information about migrated memory
327 and HMM hooked itself in various places of mm code to handle any access to
328 addresses that were backed by device memory. It turns out that this ended up
329 replicating most of the fields of struct page and also needed many kernel code
330 paths to be updated to understand this new kind of memory.
331
332 Most kernel code paths never try to access the memory behind a page
333 but only care about struct page contents. Because of this, HMM switched to
334 directly using struct page for device memory which left most kernel code paths
335 unaware of the difference. We only need to make sure that no one ever tries to
336 map those pages from the CPU side.
337
338 Migration to and from device memory
339 ===================================
340
341 Because the CPU cannot access device memory, migration must use the device DMA
342 engine to perform copy from and to device memory. For this we need to use
343 migrate_vma_setup(), migrate_vma_pages(), and migrate_vma_finalize() helpers.
344
345
346 Memory cgroup (memcg) and rss accounting
347 ========================================
348
349 For now, device memory is accounted as any regular page in rss counters (either
350 anonymous if device page is used for anonymous, file if device page is used for
351 file backed page, or shmem if device page is used for shared memory). This is a
352 deliberate choice to keep existing applications, that might start using device
353 memory without knowing about it, running unimpacted.
354
355 A drawback is that the OOM killer might kill an application using a lot of
356 device memory and not a lot of regular system memory and thus not freeing much
357 system memory. We want to gather more real world experience on how applications
358 and system react under memory pressure in the presence of device memory before
359 deciding to account device memory differently.
360
361
362 Same decision was made for memory cgroup. Device memory pages are accounted
363 against same memory cgroup a regular page would be accounted to. This does
364 simplify migration to and from device memory. This also means that migration
365 back from device memory to regular memory cannot fail because it would
366 go above memory cgroup limit. We might revisit this choice latter on once we
367 get more experience in how device memory is used and its impact on memory
368 resource control.
369
370
371 Note that device memory can never be pinned by a device driver nor through GUP
372 and thus such memory is always free upon process exit. Or when last reference
373 is dropped in case of shared memory or file backed memory.