tools/power turbostat: version 18.06.20
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / vm / transhuge.txt
1 = Transparent Hugepage Support =
2
3 == Objective ==
4
5 Performance critical computing applications dealing with large memory
6 working sets are already running on top of libhugetlbfs and in turn
7 hugetlbfs. Transparent Hugepage Support is an alternative means of
8 using huge pages for the backing of virtual memory with huge pages
9 that supports the automatic promotion and demotion of page sizes and
10 without the shortcomings of hugetlbfs.
11
12 Currently it only works for anonymous memory mappings and tmpfs/shmem.
13 But in the future it can expand to other filesystems.
14
15 The reason applications are running faster is because of two
16 factors. The first factor is almost completely irrelevant and it's not
17 of significant interest because it'll also have the downside of
18 requiring larger clear-page copy-page in page faults which is a
19 potentially negative effect. The first factor consists in taking a
20 single page fault for each 2M virtual region touched by userland (so
21 reducing the enter/exit kernel frequency by a 512 times factor). This
22 only matters the first time the memory is accessed for the lifetime of
23 a memory mapping. The second long lasting and much more important
24 factor will affect all subsequent accesses to the memory for the whole
25 runtime of the application. The second factor consist of two
26 components: 1) the TLB miss will run faster (especially with
27 virtualization using nested pagetables but almost always also on bare
28 metal without virtualization) and 2) a single TLB entry will be
29 mapping a much larger amount of virtual memory in turn reducing the
30 number of TLB misses. With virtualization and nested pagetables the
31 TLB can be mapped of larger size only if both KVM and the Linux guest
32 are using hugepages but a significant speedup already happens if only
33 one of the two is using hugepages just because of the fact the TLB
34 miss is going to run faster.
35
36 == Design ==
37
38 - "graceful fallback": mm components which don't have transparent hugepage
39   knowledge fall back to breaking huge pmd mapping into table of ptes and,
40   if necessary, split a transparent hugepage. Therefore these components
41   can continue working on the regular pages or regular pte mappings.
42
43 - if a hugepage allocation fails because of memory fragmentation,
44   regular pages should be gracefully allocated instead and mixed in
45   the same vma without any failure or significant delay and without
46   userland noticing
47
48 - if some task quits and more hugepages become available (either
49   immediately in the buddy or through the VM), guest physical memory
50   backed by regular pages should be relocated on hugepages
51   automatically (with khugepaged)
52
53 - it doesn't require memory reservation and in turn it uses hugepages
54   whenever possible (the only possible reservation here is kernelcore=
55   to avoid unmovable pages to fragment all the memory but such a tweak
56   is not specific to transparent hugepage support and it's a generic
57   feature that applies to all dynamic high order allocations in the
58   kernel)
59
60 Transparent Hugepage Support maximizes the usefulness of free memory
61 if compared to the reservation approach of hugetlbfs by allowing all
62 unused memory to be used as cache or other movable (or even unmovable
63 entities). It doesn't require reservation to prevent hugepage
64 allocation failures to be noticeable from userland. It allows paging
65 and all other advanced VM features to be available on the
66 hugepages. It requires no modifications for applications to take
67 advantage of it.
68
69 Applications however can be further optimized to take advantage of
70 this feature, like for example they've been optimized before to avoid
71 a flood of mmap system calls for every malloc(4k). Optimizing userland
72 is by far not mandatory and khugepaged already can take care of long
73 lived page allocations even for hugepage unaware applications that
74 deals with large amounts of memory.
75
76 In certain cases when hugepages are enabled system wide, application
77 may end up allocating more memory resources. An application may mmap a
78 large region but only touch 1 byte of it, in that case a 2M page might
79 be allocated instead of a 4k page for no good. This is why it's
80 possible to disable hugepages system-wide and to only have them inside
81 MADV_HUGEPAGE madvise regions.
82
83 Embedded systems should enable hugepages only inside madvise regions
84 to eliminate any risk of wasting any precious byte of memory and to
85 only run faster.
86
87 Applications that gets a lot of benefit from hugepages and that don't
88 risk to lose memory by using hugepages, should use
89 madvise(MADV_HUGEPAGE) on their critical mmapped regions.
90
91 == sysfs ==
92
93 Transparent Hugepage Support for anonymous memory can be entirely disabled
94 (mostly for debugging purposes) or only enabled inside MADV_HUGEPAGE
95 regions (to avoid the risk of consuming more memory resources) or enabled
96 system wide. This can be achieved with one of:
97
98 echo always >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
99 echo madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
100 echo never >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
101
102 It's also possible to limit defrag efforts in the VM to generate
103 anonymous hugepages in case they're not immediately free to madvise
104 regions or to never try to defrag memory and simply fallback to regular
105 pages unless hugepages are immediately available. Clearly if we spend CPU
106 time to defrag memory, we would expect to gain even more by the fact we
107 use hugepages later instead of regular pages. This isn't always
108 guaranteed, but it may be more likely in case the allocation is for a
109 MADV_HUGEPAGE region.
110
111 echo always >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
112 echo defer >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
113 echo defer+madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
114 echo madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
115 echo never >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
116
117 "always" means that an application requesting THP will stall on allocation
118 failure and directly reclaim pages and compact memory in an effort to
119 allocate a THP immediately. This may be desirable for virtual machines
120 that benefit heavily from THP use and are willing to delay the VM start
121 to utilise them.
122
123 "defer" means that an application will wake kswapd in the background
124 to reclaim pages and wake kcompactd to compact memory so that THP is
125 available in the near future. It's the responsibility of khugepaged
126 to then install the THP pages later.
127
128 "defer+madvise" will enter direct reclaim and compaction like "always", but
129 only for regions that have used madvise(MADV_HUGEPAGE); all other regions
130 will wake kswapd in the background to reclaim pages and wake kcompactd to
131 compact memory so that THP is available in the near future.
132
133 "madvise" will enter direct reclaim like "always" but only for regions
134 that are have used madvise(MADV_HUGEPAGE). This is the default behaviour.
135
136 "never" should be self-explanatory.
137
138 By default kernel tries to use huge zero page on read page fault to
139 anonymous mapping. It's possible to disable huge zero page by writing 0
140 or enable it back by writing 1:
141
142 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
143 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
144
145 Some userspace (such as a test program, or an optimized memory allocation
146 library) may want to know the size (in bytes) of a transparent hugepage:
147
148 cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/hpage_pmd_size
149
150 khugepaged will be automatically started when
151 transparent_hugepage/enabled is set to "always" or "madvise, and it'll
152 be automatically shutdown if it's set to "never".
153
154 khugepaged runs usually at low frequency so while one may not want to
155 invoke defrag algorithms synchronously during the page faults, it
156 should be worth invoking defrag at least in khugepaged. However it's
157 also possible to disable defrag in khugepaged by writing 0 or enable
158 defrag in khugepaged by writing 1:
159
160 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
161 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
162
163 You can also control how many pages khugepaged should scan at each
164 pass:
165
166 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_to_scan
167
168 and how many milliseconds to wait in khugepaged between each pass (you
169 can set this to 0 to run khugepaged at 100% utilization of one core):
170
171 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/scan_sleep_millisecs
172
173 and how many milliseconds to wait in khugepaged if there's an hugepage
174 allocation failure to throttle the next allocation attempt.
175
176 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/alloc_sleep_millisecs
177
178 The khugepaged progress can be seen in the number of pages collapsed:
179
180 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_collapsed
181
182 for each pass:
183
184 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/full_scans
185
186 max_ptes_none specifies how many extra small pages (that are
187 not already mapped) can be allocated when collapsing a group
188 of small pages into one large page.
189
190 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_none
191
192 A higher value leads to use additional memory for programs.
193 A lower value leads to gain less thp performance. Value of
194 max_ptes_none can waste cpu time very little, you can
195 ignore it.
196
197 max_ptes_swap specifies how many pages can be brought in from
198 swap when collapsing a group of pages into a transparent huge page.
199
200 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_swap
201
202 A higher value can cause excessive swap IO and waste
203 memory. A lower value can prevent THPs from being
204 collapsed, resulting fewer pages being collapsed into
205 THPs, and lower memory access performance.
206
207 == Boot parameter ==
208
209 You can change the sysfs boot time defaults of Transparent Hugepage
210 Support by passing the parameter "transparent_hugepage=always" or
211 "transparent_hugepage=madvise" or "transparent_hugepage=never"
212 (without "") to the kernel command line.
213
214 == Hugepages in tmpfs/shmem ==
215
216 You can control hugepage allocation policy in tmpfs with mount option
217 "huge=". It can have following values:
218
219   - "always":
220     Attempt to allocate huge pages every time we need a new page;
221
222   - "never":
223     Do not allocate huge pages;
224
225   - "within_size":
226     Only allocate huge page if it will be fully within i_size.
227     Also respect fadvise()/madvise() hints;
228
229   - "advise:
230     Only allocate huge pages if requested with fadvise()/madvise();
231
232 The default policy is "never".
233
234 "mount -o remount,huge= /mountpoint" works fine after mount: remounting
235 huge=never will not attempt to break up huge pages at all, just stop more
236 from being allocated.
237
238 There's also sysfs knob to control hugepage allocation policy for internal
239 shmem mount: /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/shmem_enabled. The mount
240 is used for SysV SHM, memfds, shared anonymous mmaps (of /dev/zero or
241 MAP_ANONYMOUS), GPU drivers' DRM objects, Ashmem.
242
243 In addition to policies listed above, shmem_enabled allows two further
244 values:
245
246   - "deny":
247     For use in emergencies, to force the huge option off from
248     all mounts;
249   - "force":
250     Force the huge option on for all - very useful for testing;
251
252 == Need of application restart ==
253
254 The transparent_hugepage/enabled values and tmpfs mount option only affect
255 future behavior. So to make them effective you need to restart any
256 application that could have been using hugepages. This also applies to the
257 regions registered in khugepaged.
258
259 == Monitoring usage ==
260
261 The number of anonymous transparent huge pages currently used by the
262 system is available by reading the AnonHugePages field in /proc/meminfo.
263 To identify what applications are using anonymous transparent huge pages,
264 it is necessary to read /proc/PID/smaps and count the AnonHugePages fields
265 for each mapping.
266
267 The number of file transparent huge pages mapped to userspace is available
268 by reading ShmemPmdMapped and ShmemHugePages fields in /proc/meminfo.
269 To identify what applications are mapping file transparent huge pages, it
270 is necessary to read /proc/PID/smaps and count the FileHugeMapped fields
271 for each mapping.
272
273 Note that reading the smaps file is expensive and reading it
274 frequently will incur overhead.
275
276 There are a number of counters in /proc/vmstat that may be used to
277 monitor how successfully the system is providing huge pages for use.
278
279 thp_fault_alloc is incremented every time a huge page is successfully
280         allocated to handle a page fault. This applies to both the
281         first time a page is faulted and for COW faults.
282
283 thp_collapse_alloc is incremented by khugepaged when it has found
284         a range of pages to collapse into one huge page and has
285         successfully allocated a new huge page to store the data.
286
287 thp_fault_fallback is incremented if a page fault fails to allocate
288         a huge page and instead falls back to using small pages.
289
290 thp_collapse_alloc_failed is incremented if khugepaged found a range
291         of pages that should be collapsed into one huge page but failed
292         the allocation.
293
294 thp_file_alloc is incremented every time a file huge page is successfully
295         allocated.
296
297 thp_file_mapped is incremented every time a file huge page is mapped into
298         user address space.
299
300 thp_split_page is incremented every time a huge page is split into base
301         pages. This can happen for a variety of reasons but a common
302         reason is that a huge page is old and is being reclaimed.
303         This action implies splitting all PMD the page mapped with.
304
305 thp_split_page_failed is incremented if kernel fails to split huge
306         page. This can happen if the page was pinned by somebody.
307
308 thp_deferred_split_page is incremented when a huge page is put onto split
309         queue. This happens when a huge page is partially unmapped and
310         splitting it would free up some memory. Pages on split queue are
311         going to be split under memory pressure.
312
313 thp_split_pmd is incremented every time a PMD split into table of PTEs.
314         This can happen, for instance, when application calls mprotect() or
315         munmap() on part of huge page. It doesn't split huge page, only
316         page table entry.
317
318 thp_zero_page_alloc is incremented every time a huge zero page is
319         successfully allocated. It includes allocations which where
320         dropped due race with other allocation. Note, it doesn't count
321         every map of the huge zero page, only its allocation.
322
323 thp_zero_page_alloc_failed is incremented if kernel fails to allocate
324         huge zero page and falls back to using small pages.
325
326 As the system ages, allocating huge pages may be expensive as the
327 system uses memory compaction to copy data around memory to free a
328 huge page for use. There are some counters in /proc/vmstat to help
329 monitor this overhead.
330
331 compact_stall is incremented every time a process stalls to run
332         memory compaction so that a huge page is free for use.
333
334 compact_success is incremented if the system compacted memory and
335         freed a huge page for use.
336
337 compact_fail is incremented if the system tries to compact memory
338         but failed.
339
340 compact_pages_moved is incremented each time a page is moved. If
341         this value is increasing rapidly, it implies that the system
342         is copying a lot of data to satisfy the huge page allocation.
343         It is possible that the cost of copying exceeds any savings
344         from reduced TLB misses.
345
346 compact_pagemigrate_failed is incremented when the underlying mechanism
347         for moving a page failed.
348
349 compact_blocks_moved is incremented each time memory compaction examines
350         a huge page aligned range of pages.
351
352 It is possible to establish how long the stalls were using the function
353 tracer to record how long was spent in __alloc_pages_nodemask and
354 using the mm_page_alloc tracepoint to identify which allocations were
355 for huge pages.
356
357 == get_user_pages and follow_page ==
358
359 get_user_pages and follow_page if run on a hugepage, will return the
360 head or tail pages as usual (exactly as they would do on
361 hugetlbfs). Most gup users will only care about the actual physical
362 address of the page and its temporary pinning to release after the I/O
363 is complete, so they won't ever notice the fact the page is huge. But
364 if any driver is going to mangle over the page structure of the tail
365 page (like for checking page->mapping or other bits that are relevant
366 for the head page and not the tail page), it should be updated to jump
367 to check head page instead. Taking reference on any head/tail page would
368 prevent page from being split by anyone.
369
370 NOTE: these aren't new constraints to the GUP API, and they match the
371 same constrains that applies to hugetlbfs too, so any driver capable
372 of handling GUP on hugetlbfs will also work fine on transparent
373 hugepage backed mappings.
374
375 In case you can't handle compound pages if they're returned by
376 follow_page, the FOLL_SPLIT bit can be specified as parameter to
377 follow_page, so that it will split the hugepages before returning
378 them. Migration for example passes FOLL_SPLIT as parameter to
379 follow_page because it's not hugepage aware and in fact it can't work
380 at all on hugetlbfs (but it instead works fine on transparent
381 hugepages thanks to FOLL_SPLIT). migration simply can't deal with
382 hugepages being returned (as it's not only checking the pfn of the
383 page and pinning it during the copy but it pretends to migrate the
384 memory in regular page sizes and with regular pte/pmd mappings).
385
386 == Optimizing the applications ==
387
388 To be guaranteed that the kernel will map a 2M page immediately in any
389 memory region, the mmap region has to be hugepage naturally
390 aligned. posix_memalign() can provide that guarantee.
391
392 == Hugetlbfs ==
393
394 You can use hugetlbfs on a kernel that has transparent hugepage
395 support enabled just fine as always. No difference can be noted in
396 hugetlbfs other than there will be less overall fragmentation. All
397 usual features belonging to hugetlbfs are preserved and
398 unaffected. libhugetlbfs will also work fine as usual.
399
400 == Graceful fallback ==
401
402 Code walking pagetables but unaware about huge pmds can simply call
403 split_huge_pmd(vma, pmd, addr) where the pmd is the one returned by
404 pmd_offset. It's trivial to make the code transparent hugepage aware
405 by just grepping for "pmd_offset" and adding split_huge_pmd where
406 missing after pmd_offset returns the pmd. Thanks to the graceful
407 fallback design, with a one liner change, you can avoid to write
408 hundred if not thousand of lines of complex code to make your code
409 hugepage aware.
410
411 If you're not walking pagetables but you run into a physical hugepage
412 but you can't handle it natively in your code, you can split it by
413 calling split_huge_page(page). This is what the Linux VM does before
414 it tries to swapout the hugepage for example. split_huge_page() can fail
415 if the page is pinned and you must handle this correctly.
416
417 Example to make mremap.c transparent hugepage aware with a one liner
418 change:
419
420 diff --git a/mm/mremap.c b/mm/mremap.c
421 --- a/mm/mremap.c
422 +++ b/mm/mremap.c
423 @@ -41,6 +41,7 @@ static pmd_t *get_old_pmd(struct mm_stru
424                 return NULL;
425
426         pmd = pmd_offset(pud, addr);
427 +       split_huge_pmd(vma, pmd, addr);
428         if (pmd_none_or_clear_bad(pmd))
429                 return NULL;
430
431 == Locking in hugepage aware code ==
432
433 We want as much code as possible hugepage aware, as calling
434 split_huge_page() or split_huge_pmd() has a cost.
435
436 To make pagetable walks huge pmd aware, all you need to do is to call
437 pmd_trans_huge() on the pmd returned by pmd_offset. You must hold the
438 mmap_sem in read (or write) mode to be sure an huge pmd cannot be
439 created from under you by khugepaged (khugepaged collapse_huge_page
440 takes the mmap_sem in write mode in addition to the anon_vma lock). If
441 pmd_trans_huge returns false, you just fallback in the old code
442 paths. If instead pmd_trans_huge returns true, you have to take the
443 page table lock (pmd_lock()) and re-run pmd_trans_huge. Taking the
444 page table lock will prevent the huge pmd to be converted into a
445 regular pmd from under you (split_huge_pmd can run in parallel to the
446 pagetable walk). If the second pmd_trans_huge returns false, you
447 should just drop the page table lock and fallback to the old code as
448 before. Otherwise you can proceed to process the huge pmd and the
449 hugepage natively. Once finished you can drop the page table lock.
450
451 == Refcounts and transparent huge pages ==
452
453 Refcounting on THP is mostly consistent with refcounting on other compound
454 pages:
455
456   - get_page()/put_page() and GUP operate in head page's ->_refcount.
457
458   - ->_refcount in tail pages is always zero: get_page_unless_zero() never
459     succeed on tail pages.
460
461   - map/unmap of the pages with PTE entry increment/decrement ->_mapcount
462     on relevant sub-page of the compound page.
463
464   - map/unmap of the whole compound page accounted in compound_mapcount
465     (stored in first tail page). For file huge pages, we also increment
466     ->_mapcount of all sub-pages in order to have race-free detection of
467     last unmap of subpages.
468
469 PageDoubleMap() indicates that the page is *possibly* mapped with PTEs.
470
471 For anonymous pages PageDoubleMap() also indicates ->_mapcount in all
472 subpages is offset up by one. This additional reference is required to
473 get race-free detection of unmap of subpages when we have them mapped with
474 both PMDs and PTEs.
475
476 This is optimization required to lower overhead of per-subpage mapcount
477 tracking. The alternative is alter ->_mapcount in all subpages on each
478 map/unmap of the whole compound page.
479
480 For anonymous pages, we set PG_double_map when a PMD of the page got split
481 for the first time, but still have PMD mapping. The additional references
482 go away with last compound_mapcount.
483
484 File pages get PG_double_map set on first map of the page with PTE and
485 goes away when the page gets evicted from page cache.
486
487 split_huge_page internally has to distribute the refcounts in the head
488 page to the tail pages before clearing all PG_head/tail bits from the page
489 structures. It can be done easily for refcounts taken by page table
490 entries. But we don't have enough information on how to distribute any
491 additional pins (i.e. from get_user_pages). split_huge_page() fails any
492 requests to split pinned huge page: it expects page count to be equal to
493 sum of mapcount of all sub-pages plus one (split_huge_page caller must
494 have reference for head page).
495
496 split_huge_page uses migration entries to stabilize page->_refcount and
497 page->_mapcount of anonymous pages. File pages just got unmapped.
498
499 We safe against physical memory scanners too: the only legitimate way
500 scanner can get reference to a page is get_page_unless_zero().
501
502 All tail pages have zero ->_refcount until atomic_add(). This prevents the
503 scanner from getting a reference to the tail page up to that point. After the
504 atomic_add() we don't care about the ->_refcount value. We already known how
505 many references should be uncharged from the head page.
506
507 For head page get_page_unless_zero() will succeed and we don't mind. It's
508 clear where reference should go after split: it will stay on head page.
509
510 Note that split_huge_pmd() doesn't have any limitation on refcounting:
511 pmd can be split at any point and never fails.
512
513 == Partial unmap and deferred_split_huge_page() ==
514
515 Unmapping part of THP (with munmap() or other way) is not going to free
516 memory immediately. Instead, we detect that a subpage of THP is not in use
517 in page_remove_rmap() and queue the THP for splitting if memory pressure
518 comes. Splitting will free up unused subpages.
519
520 Splitting the page right away is not an option due to locking context in
521 the place where we can detect partial unmap. It's also might be
522 counterproductive since in many cases partial unmap happens during exit(2) if
523 a THP crosses a VMA boundary.
524
525 Function deferred_split_huge_page() is used to queue page for splitting.
526 The splitting itself will happen when we get memory pressure via shrinker
527 interface.