Merge tag 'for-linus-2019-08-17' of git://git.kernel.dk/linux-block
[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 either::
196
197   long hmm_range_snapshot(struct hmm_range *range);
198   long hmm_range_fault(struct hmm_range *range, bool block);
199
200 The first one (hmm_range_snapshot()) will only fetch present CPU page table
201 entries and will not trigger a page fault on missing or non-present entries.
202 The second one does trigger a page fault on missing or read-only entries if
203 write access is requested (see below). Page faults use the generic mm page
204 fault code path just like a CPU page fault.
205
206 Both functions copy CPU page table entries into their pfns array argument. Each
207 entry in that array corresponds to an address in the virtual range. HMM
208 provides a set of flags to help the driver identify special CPU page table
209 entries.
210
211 Locking within the sync_cpu_device_pagetables() callback is the most important
212 aspect the driver must respect in order to keep things properly synchronized.
213 The usage pattern is::
214
215  int driver_populate_range(...)
216  {
217       struct hmm_range range;
218       ...
219
220       range.start = ...;
221       range.end = ...;
222       range.pfns = ...;
223       range.flags = ...;
224       range.values = ...;
225       range.pfn_shift = ...;
226       hmm_range_register(&range);
227
228       /*
229        * Just wait for range to be valid, safe to ignore return value as we
230        * will use the return value of hmm_range_snapshot() below under the
231        * mmap_sem to ascertain the validity of the range.
232        */
233       hmm_range_wait_until_valid(&range, TIMEOUT_IN_MSEC);
234
235  again:
236       down_read(&mm->mmap_sem);
237       ret = hmm_range_snapshot(&range);
238       if (ret) {
239           up_read(&mm->mmap_sem);
240           if (ret == -EBUSY) {
241             /*
242              * No need to check hmm_range_wait_until_valid() return value
243              * on retry we will get proper error with hmm_range_snapshot()
244              */
245             hmm_range_wait_until_valid(&range, TIMEOUT_IN_MSEC);
246             goto again;
247           }
248           hmm_range_unregister(&range);
249           return ret;
250       }
251       take_lock(driver->update);
252       if (!hmm_range_valid(&range)) {
253           release_lock(driver->update);
254           up_read(&mm->mmap_sem);
255           goto again;
256       }
257
258       // Use pfns array content to update device page table
259
260       hmm_range_unregister(&range);
261       release_lock(driver->update);
262       up_read(&mm->mmap_sem);
263       return 0;
264  }
265
266 The driver->update lock is the same lock that the driver takes inside its
267 sync_cpu_device_pagetables() callback. That lock must be held before calling
268 hmm_range_valid() to avoid any race with a concurrent CPU page table update.
269
270 HMM implements all this on top of the mmu_notifier API because we wanted a
271 simpler API and also to be able to perform optimizations latter on like doing
272 concurrent device updates in multi-devices scenario.
273
274 HMM also serves as an impedance mismatch between how CPU page table updates
275 are done (by CPU write to the page table and TLB flushes) and how devices
276 update their own page table. Device updates are a multi-step process. First,
277 appropriate commands are written to a buffer, then this buffer is scheduled for
278 execution on the device. It is only once the device has executed commands in
279 the buffer that the update is done. Creating and scheduling the update command
280 buffer can happen concurrently for multiple devices. Waiting for each device to
281 report commands as executed is serialized (there is no point in doing this
282 concurrently).
283
284
285 Leverage default_flags and pfn_flags_mask
286 =========================================
287
288 The hmm_range struct has 2 fields, default_flags and pfn_flags_mask, that specify
289 fault or snapshot policy for the whole range instead of having to set them
290 for each entry in the pfns array.
291
292 For instance, if the device flags for range.flags are::
293
294     range.flags[HMM_PFN_VALID] = (1 << 63);
295     range.flags[HMM_PFN_WRITE] = (1 << 62);
296
297 and the device driver wants pages for a range with at least read permission,
298 it sets::
299
300     range->default_flags = (1 << 63);
301     range->pfn_flags_mask = 0;
302
303 and calls hmm_range_fault() as described above. This will fill fault all pages
304 in the range with at least read permission.
305
306 Now let's say the driver wants to do the same except for one page in the range for
307 which it wants to have write permission. Now driver set::
308
309     range->default_flags = (1 << 63);
310     range->pfn_flags_mask = (1 << 62);
311     range->pfns[index_of_write] = (1 << 62);
312
313 With this, HMM will fault in all pages with at least read (i.e., valid) and for the
314 address == range->start + (index_of_write << PAGE_SHIFT) it will fault with
315 write permission i.e., if the CPU pte does not have write permission set then HMM
316 will call handle_mm_fault().
317
318 Note that HMM will populate the pfns array with write permission for any page
319 that is mapped with CPU write permission no matter what values are set
320 in default_flags or pfn_flags_mask.
321
322
323 Represent and manage device memory from core kernel point of view
324 =================================================================
325
326 Several different designs were tried to support device memory. The first one
327 used a device specific data structure to keep information about migrated memory
328 and HMM hooked itself in various places of mm code to handle any access to
329 addresses that were backed by device memory. It turns out that this ended up
330 replicating most of the fields of struct page and also needed many kernel code
331 paths to be updated to understand this new kind of memory.
332
333 Most kernel code paths never try to access the memory behind a page
334 but only care about struct page contents. Because of this, HMM switched to
335 directly using struct page for device memory which left most kernel code paths
336 unaware of the difference. We only need to make sure that no one ever tries to
337 map those pages from the CPU side.
338
339 Migration to and from device memory
340 ===================================
341
342 Because the CPU cannot access device memory, migration must use the device DMA
343 engine to perform copy from and to device memory. For this we need a new
344 migration helper::
345
346  int migrate_vma(const struct migrate_vma_ops *ops,
347                  struct vm_area_struct *vma,
348                  unsigned long mentries,
349                  unsigned long start,
350                  unsigned long end,
351                  unsigned long *src,
352                  unsigned long *dst,
353                  void *private);
354
355 Unlike other migration functions it works on a range of virtual address, there
356 are two reasons for that. First, device DMA copy has a high setup overhead cost
357 and thus batching multiple pages is needed as otherwise the migration overhead
358 makes the whole exercise pointless. The second reason is because the
359 migration might be for a range of addresses the device is actively accessing.
360
361 The migrate_vma_ops struct defines two callbacks. First one (alloc_and_copy())
362 controls destination memory allocation and copy operation. Second one is there
363 to allow the device driver to perform cleanup operations after migration::
364
365  struct migrate_vma_ops {
366      void (*alloc_and_copy)(struct vm_area_struct *vma,
367                             const unsigned long *src,
368                             unsigned long *dst,
369                             unsigned long start,
370                             unsigned long end,
371                             void *private);
372      void (*finalize_and_map)(struct vm_area_struct *vma,
373                               const unsigned long *src,
374                               const unsigned long *dst,
375                               unsigned long start,
376                               unsigned long end,
377                               void *private);
378  };
379
380 It is important to stress that these migration helpers allow for holes in the
381 virtual address range. Some pages in the range might not be migrated for all
382 the usual reasons (page is pinned, page is locked, ...). This helper does not
383 fail but just skips over those pages.
384
385 The alloc_and_copy() might decide to not migrate all pages in the
386 range (for reasons under the callback control). For those, the callback just
387 has to leave the corresponding dst entry empty.
388
389 Finally, the migration of the struct page might fail (for file backed page) for
390 various reasons (failure to freeze reference, or update page cache, ...). If
391 that happens, then the finalize_and_map() can catch any pages that were not
392 migrated. Note those pages were still copied to a new page and thus we wasted
393 bandwidth but this is considered as a rare event and a price that we are
394 willing to pay to keep all the code simpler.
395
396
397 Memory cgroup (memcg) and rss accounting
398 ========================================
399
400 For now, device memory is accounted as any regular page in rss counters (either
401 anonymous if device page is used for anonymous, file if device page is used for
402 file backed page, or shmem if device page is used for shared memory). This is a
403 deliberate choice to keep existing applications, that might start using device
404 memory without knowing about it, running unimpacted.
405
406 A drawback is that the OOM killer might kill an application using a lot of
407 device memory and not a lot of regular system memory and thus not freeing much
408 system memory. We want to gather more real world experience on how applications
409 and system react under memory pressure in the presence of device memory before
410 deciding to account device memory differently.
411
412
413 Same decision was made for memory cgroup. Device memory pages are accounted
414 against same memory cgroup a regular page would be accounted to. This does
415 simplify migration to and from device memory. This also means that migration
416 back from device memory to regular memory cannot fail because it would
417 go above memory cgroup limit. We might revisit this choice latter on once we
418 get more experience in how device memory is used and its impact on memory
419 resource control.
420
421
422 Note that device memory can never be pinned by a device driver nor through GUP
423 and thus such memory is always free upon process exit. Or when last reference
424 is dropped in case of shared memory or file backed memory.