Documentation/vm/page_migration

   1 Page migration
   2 --------------
   3
   4 Page migration allows the moving of the physical location of pages between
   5 nodes in a numa system while the process is running. This means that the
   6 virtual addresses that the process sees do not change. However, the
   7 system rearranges the physical location of those pages.
   8
   9 The main intend of page migration is to reduce the latency of memory access
  10 by moving pages near to the processor where the process accessing that memory
  11 is running.
  12
  13 Page migration allows a process to manually relocate the node on which its
  14 pages are located through the MF_MOVE and MF_MOVE_ALL options while setting
  15 a new memory policy via mbind(). The pages of process can also be relocated
  16 from another process using the sys_migrate_pages() function call. The
  17 migrate_pages function call takes two sets of nodes and moves pages of a
  18 process that are located on the from nodes to the destination nodes.
  19 Page migration functions are provided by the numactl package by Andi Kleen
  20 (a version later than 0.9.3 is required. Get it from
  21 ftp://oss.sgi.com/www/projects/libnuma/download/). numactl provides libnuma
  22 which provides an interface similar to other numa functionality for page
  23 migration.  cat /proc/<pid>/numa_maps allows an easy review of where the
  24 pages of a process are located. See also the numa_maps documentation in the
  25 proc(5) man page.
  26
  27 Manual migration is useful if for example the scheduler has relocated
  28 a process to a processor on a distant node. A batch scheduler or an
  29 administrator may detect the situation and move the pages of the process
  30 nearer to the new processor. The kernel itself does only provide
  31 manual page migration support. Automatic page migration may be implemented
  32 through user space processes that move pages. A special function call
  33 "move_pages" allows the moving of individual pages within a process.
  34 A NUMA profiler may f.e. obtain a log showing frequent off node
  35 accesses and may use the result to move pages to more advantageous
  36 locations.
  37
  38 Larger installations usually partition the system using cpusets into
  39 sections of nodes. Paul Jackson has equipped cpusets with the ability to
  40 move pages when a task is moved to another cpuset (See
  41 Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt).
  42 Cpusets allows the automation of process locality. If a task is moved to
  43 a new cpuset then also all its pages are moved with it so that the
  44 performance of the process does not sink dramatically. Also the pages
  45 of processes in a cpuset are moved if the allowed memory nodes of a
  46 cpuset are changed.
  47
  48 Page migration allows the preservation of the relative location of pages
  49 within a group of nodes for all migration techniques which will preserve a
  50 particular memory allocation pattern generated even after migrating a
  51 process. This is necessary in order to preserve the memory latencies.
  52 Processes will run with similar performance after migration.
  53
  54 Page migration occurs in several steps. First a high level
  55 description for those trying to use migrate_pages() from the kernel
  56 (for userspace usage see the Andi Kleen's numactl package mentioned above)
  57 and then a low level description of how the low level details work.
  58
  59 A. In kernel use of migrate_pages()
  60 -----------------------------------
  61
  62 1. Remove pages from the LRU.
  63
  64    Lists of pages to be migrated are generated by scanning over
  65    pages and moving them into lists. This is done by
  66    calling isolate_lru_page().
  67    Calling isolate_lru_page increases the references to the page
  68    so that it cannot vanish while the page migration occurs.
  69    It also prevents the swapper or other scans to encounter
  70    the page.
  71
  72 2. We need to have a function of type new_page_t that can be
  73    passed to migrate_pages(). This function should figure out
  74    how to allocate the correct new page given the old page.
  75
  76 3. The migrate_pages() function is called which attempts
  77    to do the migration. It will call the function to allocate
  78    the new page for each page that is considered for
  79    moving.
  80
  81 B. How migrate_pages() works
  82 ----------------------------
  83
  84 migrate_pages() does several passes over its list of pages. A page is moved
  85 if all references to a page are removable at the time. The page has
  86 already been removed from the LRU via isolate_lru_page() and the refcount
  87 is increased so that the page cannot be freed while page migration occurs.
  88
  89 Steps:
  90
  91 1. Lock the page to be migrated
  92
  93 2. Ensure that writeback is complete.
  94
  95 3. Lock the new page that we want to move to. It is locked so that accesses to
  96    this (not yet uptodate) page immediately lock while the move is in progress.
  97
  98 4. All the page table references to the page are converted to migration
  99    entries. This decreases the mapcount of a page. If the resulting
 100    mapcount is not zero then we do not migrate the page. All user space
 101    processes that attempt to access the page will now wait on the page lock.
 102
 103 5. The i_pages lock is taken. This will cause all processes trying
 104    to access the page via the mapping to block on the spinlock.
 105
 106 6. The refcount of the page is examined and we back out if references remain
 107    otherwise we know that we are the only one referencing this page.
 108
 109 7. The radix tree is checked and if it does not contain the pointer to this
 110    page then we back out because someone else modified the radix tree.
 111
 112 8. The new page is prepped with some settings from the old page so that
 113    accesses to the new page will discover a page with the correct settings.
 114
 115 9. The radix tree is changed to point to the new page.
 116
 117 10. The reference count of the old page is dropped because the address space
 118     reference is gone. A reference to the new page is established because
 119     the new page is referenced by the address space.
 120
 121 11. The i_pages lock is dropped. With that lookups in the mapping
 122     become possible again. Processes will move from spinning on the lock
 123     to sleeping on the locked new page.
 124
 125 12. The page contents are copied to the new page.
 126
 127 13. The remaining page flags are copied to the new page.
 128
 129 14. The old page flags are cleared to indicate that the page does
 130     not provide any information anymore.
 131
 132 15. Queued up writeback on the new page is triggered.
 133
 134 16. If migration entries were page then replace them with real ptes. Doing
 135     so will enable access for user space processes not already waiting for
 136     the page lock.
 137
 138 19. The page locks are dropped from the old and new page.
 139     Processes waiting on the page lock will redo their page faults
 140     and will reach the new page.
 141
 142 20. The new page is moved to the LRU and can be scanned by the swapper
 143     etc again.
 144
 145 C. Non-LRU page migration
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 147
 148 Although original migration aimed for reducing the latency of memory access
 149 for NUMA, compaction who want to create high-order page is also main customer.
 150
 151 Current problem of the implementation is that it is designed to migrate only
 152 *LRU* pages. However, there are potential non-lru pages which can be migrated
 153 in drivers, for example, zsmalloc, virtio-balloon pages.
 154
 155 For virtio-balloon pages, some parts of migration code path have been hooked
 156 up and added virtio-balloon specific functions to intercept migration logics.
 157 It's too specific to a driver so other drivers who want to make their pages
 158 movable would have to add own specific hooks in migration path.
 159
 160 To overclome the problem, VM supports non-LRU page migration which provides
 161 generic functions for non-LRU movable pages without driver specific hooks
 162 migration path.
 163
 164 If a driver want to make own pages movable, it should define three functions
 165 which are function pointers of struct address_space_operations.
 166
 167 1. bool (*isolate_page) (struct page *page, isolate_mode_t mode);
 168
 169 What VM expects on isolate_page function of driver is to return *true*
 170 if driver isolates page successfully. On returing true, VM marks the page
 171 as PG_isolated so concurrent isolation in several CPUs skip the page
 172 for isolation. If a driver cannot isolate the page, it should return *false*.
 173
 174 Once page is successfully isolated, VM uses page.lru fields so driver
 175 shouldn't expect to preserve values in that fields.
 176
 177 2. int (*migratepage) (struct address_space *mapping,
 178                 struct page *newpage, struct page *oldpage, enum migrate_mode);
 179
 180 After isolation, VM calls migratepage of driver with isolated page.
 181 The function of migratepage is to move content of the old page to new page
 182 and set up fields of struct page newpage. Keep in mind that you should
 183 indicate to the VM the oldpage is no longer movable via __ClearPageMovable()
 184 under page_lock if you migrated the oldpage successfully and returns
 185 MIGRATEPAGE_SUCCESS. If driver cannot migrate the page at the moment, driver
 186 can return -EAGAIN. On -EAGAIN, VM will retry page migration in a short time
 187 because VM interprets -EAGAIN as "temporal migration failure". On returning
 188 any error except -EAGAIN, VM will give up the page migration without retrying
 189 in this time.
 190
 191 Driver shouldn't touch page.lru field VM using in the functions.
 192
 193 3. void (*putback_page)(struct page *);
 194
 195 If migration fails on isolated page, VM should return the isolated page
 196 to the driver so VM calls driver's putback_page with migration failed page.
 197 In this function, driver should put the isolated page back to the own data
 198 structure.
 199
 200 4. non-lru movable page flags
 201
 202 There are two page flags for supporting non-lru movable page.
 203
 204 * PG_movable
 205
 206 Driver should use the below function to make page movable under page_lock.
 207
 208         void __SetPageMovable(struct page *page, struct address_space *mapping)
 209
 210 It needs argument of address_space for registering migration family functions
 211 which will be called by VM. Exactly speaking, PG_movable is not a real flag of
 212 struct page. Rather than, VM reuses page->mapping's lower bits to represent it.
 213
 214         #define PAGE_MAPPING_MOVABLE 0x2
 215         page->mapping = page->mapping | PAGE_MAPPING_MOVABLE;
 216
 217 so driver shouldn't access page->mapping directly. Instead, driver should
 218 use page_mapping which mask off the low two bits of page->mapping under
 219 page lock so it can get right struct address_space.
 220
 221 For testing of non-lru movable page, VM supports __PageMovable function.
 222 However, it doesn't guarantee to identify non-lru movable page because
 223 page->mapping field is unified with other variables in struct page.
 224 As well, if driver releases the page after isolation by VM, page->mapping
 225 doesn't have stable value although it has PAGE_MAPPING_MOVABLE
 226 (Look at __ClearPageMovable). But __PageMovable is cheap to catch whether
 227 page is LRU or non-lru movable once the page has been isolated. Because
 228 LRU pages never can have PAGE_MAPPING_MOVABLE in page->mapping. It is also
 229 good for just peeking to test non-lru movable pages before more expensive
 230 checking with lock_page in pfn scanning to select victim.
 231
 232 For guaranteeing non-lru movable page, VM provides PageMovable function.
 233 Unlike __PageMovable, PageMovable functions validates page->mapping and
 234 mapping->a_ops->isolate_page under lock_page. The lock_page prevents sudden
 235 destroying of page->mapping.
 236
 237 Driver using __SetPageMovable should clear the flag via __ClearMovablePage
 238 under page_lock before the releasing the page.
 239
 240 * PG_isolated
 241
 242 To prevent concurrent isolation among several CPUs, VM marks isolated page
 243 as PG_isolated under lock_page. So if a CPU encounters PG_isolated non-lru
 244 movable page, it can skip it. Driver doesn't need to manipulate the flag
 245 because VM will set/clear it automatically. Keep in mind that if driver
 246 sees PG_isolated page, it means the page have been isolated by VM so it
 247 shouldn't touch page.lru field.
 248 PG_isolated is alias with PG_reclaim flag so driver shouldn't use the flag
 249 for own purpose.
 250
 251 Christoph Lameter, May 8, 2006.
 252 Minchan Kim, Mar 28, 2016.