0dc8632aa01e731d05e6c990e4c22461b499e7ca
[cascardo/linux.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 but in the
13 future it can expand over the pagecache layer starting with tmpfs.
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 - this initial support only offers the feature in the anonymous memory
61   regions but it'd be ideal to move it to tmpfs and the pagecache
62   later
63
64 Transparent Hugepage Support maximizes the usefulness of free memory
65 if compared to the reservation approach of hugetlbfs by allowing all
66 unused memory to be used as cache or other movable (or even unmovable
67 entities). It doesn't require reservation to prevent hugepage
68 allocation failures to be noticeable from userland. It allows paging
69 and all other advanced VM features to be available on the
70 hugepages. It requires no modifications for applications to take
71 advantage of it.
72
73 Applications however can be further optimized to take advantage of
74 this feature, like for example they've been optimized before to avoid
75 a flood of mmap system calls for every malloc(4k). Optimizing userland
76 is by far not mandatory and khugepaged already can take care of long
77 lived page allocations even for hugepage unaware applications that
78 deals with large amounts of memory.
79
80 In certain cases when hugepages are enabled system wide, application
81 may end up allocating more memory resources. An application may mmap a
82 large region but only touch 1 byte of it, in that case a 2M page might
83 be allocated instead of a 4k page for no good. This is why it's
84 possible to disable hugepages system-wide and to only have them inside
85 MADV_HUGEPAGE madvise regions.
86
87 Embedded systems should enable hugepages only inside madvise regions
88 to eliminate any risk of wasting any precious byte of memory and to
89 only run faster.
90
91 Applications that gets a lot of benefit from hugepages and that don't
92 risk to lose memory by using hugepages, should use
93 madvise(MADV_HUGEPAGE) on their critical mmapped regions.
94
95 == sysfs ==
96
97 Transparent Hugepage Support can be entirely disabled (mostly for
98 debugging purposes) or only enabled inside MADV_HUGEPAGE regions (to
99 avoid the risk of consuming more memory resources) or enabled system
100 wide. This can be achieved with one of:
101
102 echo always >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
103 echo madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
104 echo never >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
105
106 It's also possible to limit defrag efforts in the VM to generate
107 hugepages in case they're not immediately free to madvise regions or
108 to never try to defrag memory and simply fallback to regular pages
109 unless hugepages are immediately available. Clearly if we spend CPU
110 time to defrag memory, we would expect to gain even more by the fact
111 we use hugepages later instead of regular pages. This isn't always
112 guaranteed, but it may be more likely in case the allocation is for a
113 MADV_HUGEPAGE region.
114
115 echo always >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
116 echo madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
117 echo never >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
118
119 By default kernel tries to use huge zero page on read page fault.
120 It's possible to disable huge zero page by writing 0 or enable it
121 back by writing 1:
122
123 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
124 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
125
126 khugepaged will be automatically started when
127 transparent_hugepage/enabled is set to "always" or "madvise, and it'll
128 be automatically shutdown if it's set to "never".
129
130 khugepaged runs usually at low frequency so while one may not want to
131 invoke defrag algorithms synchronously during the page faults, it
132 should be worth invoking defrag at least in khugepaged. However it's
133 also possible to disable defrag in khugepaged by writing 0 or enable
134 defrag in khugepaged by writing 1:
135
136 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
137 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
138
139 You can also control how many pages khugepaged should scan at each
140 pass:
141
142 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_to_scan
143
144 and how many milliseconds to wait in khugepaged between each pass (you
145 can set this to 0 to run khugepaged at 100% utilization of one core):
146
147 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/scan_sleep_millisecs
148
149 and how many milliseconds to wait in khugepaged if there's an hugepage
150 allocation failure to throttle the next allocation attempt.
151
152 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/alloc_sleep_millisecs
153
154 The khugepaged progress can be seen in the number of pages collapsed:
155
156 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_collapsed
157
158 for each pass:
159
160 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/full_scans
161
162 max_ptes_none specifies how many extra small pages (that are
163 not already mapped) can be allocated when collapsing a group
164 of small pages into one large page.
165
166 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_none
167
168 A higher value leads to use additional memory for programs.
169 A lower value leads to gain less thp performance. Value of
170 max_ptes_none can waste cpu time very little, you can
171 ignore it.
172
173 max_ptes_swap specifies how many pages can be brought in from
174 swap when collapsing a group of pages into a transparent huge page.
175
176 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_swap
177
178 A higher value can cause excessive swap IO and waste
179 memory. A lower value can prevent THPs from being
180 collapsed, resulting fewer pages being collapsed into
181 THPs, and lower memory access performance.
182
183 == Boot parameter ==
184
185 You can change the sysfs boot time defaults of Transparent Hugepage
186 Support by passing the parameter "transparent_hugepage=always" or
187 "transparent_hugepage=madvise" or "transparent_hugepage=never"
188 (without "") to the kernel command line.
189
190 == Need of application restart ==
191
192 The transparent_hugepage/enabled values only affect future
193 behavior. So to make them effective you need to restart any
194 application that could have been using hugepages. This also applies to
195 the regions registered in khugepaged.
196
197 == Monitoring usage ==
198
199 The number of transparent huge pages currently used by the system is
200 available by reading the AnonHugePages field in /proc/meminfo. To
201 identify what applications are using transparent huge pages, it is
202 necessary to read /proc/PID/smaps and count the AnonHugePages fields
203 for each mapping. Note that reading the smaps file is expensive and
204 reading it frequently will incur overhead.
205
206 There are a number of counters in /proc/vmstat that may be used to
207 monitor how successfully the system is providing huge pages for use.
208
209 thp_fault_alloc is incremented every time a huge page is successfully
210         allocated to handle a page fault. This applies to both the
211         first time a page is faulted and for COW faults.
212
213 thp_collapse_alloc is incremented by khugepaged when it has found
214         a range of pages to collapse into one huge page and has
215         successfully allocated a new huge page to store the data.
216
217 thp_fault_fallback is incremented if a page fault fails to allocate
218         a huge page and instead falls back to using small pages.
219
220 thp_collapse_alloc_failed is incremented if khugepaged found a range
221         of pages that should be collapsed into one huge page but failed
222         the allocation.
223
224 thp_split_page is incremented every time a huge page is split into base
225         pages. This can happen for a variety of reasons but a common
226         reason is that a huge page is old and is being reclaimed.
227         This action implies splitting all PMD the page mapped with.
228
229 thp_split_page_failed is is incremented if kernel fails to split huge
230         page. This can happen if the page was pinned by somebody.
231
232 thp_deferred_split_page is incremented when a huge page is put onto split
233         queue. This happens when a huge page is partially unmapped and
234         splitting it would free up some memory. Pages on split queue are
235         going to be split under memory pressure.
236
237 thp_split_pmd is incremented every time a PMD split into table of PTEs.
238         This can happen, for instance, when application calls mprotect() or
239         munmap() on part of huge page. It doesn't split huge page, only
240         page table entry.
241
242 thp_zero_page_alloc is incremented every time a huge zero page is
243         successfully allocated. It includes allocations which where
244         dropped due race with other allocation. Note, it doesn't count
245         every map of the huge zero page, only its allocation.
246
247 thp_zero_page_alloc_failed is incremented if kernel fails to allocate
248         huge zero page and falls back to using small pages.
249
250 As the system ages, allocating huge pages may be expensive as the
251 system uses memory compaction to copy data around memory to free a
252 huge page for use. There are some counters in /proc/vmstat to help
253 monitor this overhead.
254
255 compact_stall is incremented every time a process stalls to run
256         memory compaction so that a huge page is free for use.
257
258 compact_success is incremented if the system compacted memory and
259         freed a huge page for use.
260
261 compact_fail is incremented if the system tries to compact memory
262         but failed.
263
264 compact_pages_moved is incremented each time a page is moved. If
265         this value is increasing rapidly, it implies that the system
266         is copying a lot of data to satisfy the huge page allocation.
267         It is possible that the cost of copying exceeds any savings
268         from reduced TLB misses.
269
270 compact_pagemigrate_failed is incremented when the underlying mechanism
271         for moving a page failed.
272
273 compact_blocks_moved is incremented each time memory compaction examines
274         a huge page aligned range of pages.
275
276 It is possible to establish how long the stalls were using the function
277 tracer to record how long was spent in __alloc_pages_nodemask and
278 using the mm_page_alloc tracepoint to identify which allocations were
279 for huge pages.
280
281 == get_user_pages and follow_page ==
282
283 get_user_pages and follow_page if run on a hugepage, will return the
284 head or tail pages as usual (exactly as they would do on
285 hugetlbfs). Most gup users will only care about the actual physical
286 address of the page and its temporary pinning to release after the I/O
287 is complete, so they won't ever notice the fact the page is huge. But
288 if any driver is going to mangle over the page structure of the tail
289 page (like for checking page->mapping or other bits that are relevant
290 for the head page and not the tail page), it should be updated to jump
291 to check head page instead. Taking reference on any head/tail page would
292 prevent page from being split by anyone.
293
294 NOTE: these aren't new constraints to the GUP API, and they match the
295 same constrains that applies to hugetlbfs too, so any driver capable
296 of handling GUP on hugetlbfs will also work fine on transparent
297 hugepage backed mappings.
298
299 In case you can't handle compound pages if they're returned by
300 follow_page, the FOLL_SPLIT bit can be specified as parameter to
301 follow_page, so that it will split the hugepages before returning
302 them. Migration for example passes FOLL_SPLIT as parameter to
303 follow_page because it's not hugepage aware and in fact it can't work
304 at all on hugetlbfs (but it instead works fine on transparent
305 hugepages thanks to FOLL_SPLIT). migration simply can't deal with
306 hugepages being returned (as it's not only checking the pfn of the
307 page and pinning it during the copy but it pretends to migrate the
308 memory in regular page sizes and with regular pte/pmd mappings).
309
310 == Optimizing the applications ==
311
312 To be guaranteed that the kernel will map a 2M page immediately in any
313 memory region, the mmap region has to be hugepage naturally
314 aligned. posix_memalign() can provide that guarantee.
315
316 == Hugetlbfs ==
317
318 You can use hugetlbfs on a kernel that has transparent hugepage
319 support enabled just fine as always. No difference can be noted in
320 hugetlbfs other than there will be less overall fragmentation. All
321 usual features belonging to hugetlbfs are preserved and
322 unaffected. libhugetlbfs will also work fine as usual.
323
324 == Graceful fallback ==
325
326 Code walking pagetables but unware about huge pmds can simply call
327 split_huge_pmd(vma, pmd, addr) where the pmd is the one returned by
328 pmd_offset. It's trivial to make the code transparent hugepage aware
329 by just grepping for "pmd_offset" and adding split_huge_pmd where
330 missing after pmd_offset returns the pmd. Thanks to the graceful
331 fallback design, with a one liner change, you can avoid to write
332 hundred if not thousand of lines of complex code to make your code
333 hugepage aware.
334
335 If you're not walking pagetables but you run into a physical hugepage
336 but you can't handle it natively in your code, you can split it by
337 calling split_huge_page(page). This is what the Linux VM does before
338 it tries to swapout the hugepage for example. split_huge_page() can fail
339 if the page is pinned and you must handle this correctly.
340
341 Example to make mremap.c transparent hugepage aware with a one liner
342 change:
343
344 diff --git a/mm/mremap.c b/mm/mremap.c
345 --- a/mm/mremap.c
346 +++ b/mm/mremap.c
347 @@ -41,6 +41,7 @@ static pmd_t *get_old_pmd(struct mm_stru
348                 return NULL;
349
350         pmd = pmd_offset(pud, addr);
351 +       split_huge_pmd(vma, pmd, addr);
352         if (pmd_none_or_clear_bad(pmd))
353                 return NULL;
354
355 == Locking in hugepage aware code ==
356
357 We want as much code as possible hugepage aware, as calling
358 split_huge_page() or split_huge_pmd() has a cost.
359
360 To make pagetable walks huge pmd aware, all you need to do is to call
361 pmd_trans_huge() on the pmd returned by pmd_offset. You must hold the
362 mmap_sem in read (or write) mode to be sure an huge pmd cannot be
363 created from under you by khugepaged (khugepaged collapse_huge_page
364 takes the mmap_sem in write mode in addition to the anon_vma lock). If
365 pmd_trans_huge returns false, you just fallback in the old code
366 paths. If instead pmd_trans_huge returns true, you have to take the
367 page table lock (pmd_lock()) and re-run pmd_trans_huge. Taking the
368 page table lock will prevent the huge pmd to be converted into a
369 regular pmd from under you (split_huge_pmd can run in parallel to the
370 pagetable walk). If the second pmd_trans_huge returns false, you
371 should just drop the page table lock and fallback to the old code as
372 before. Otherwise you can proceed to process the huge pmd and the
373 hugepage natively. Once finished you can drop the page table lock.
374
375 == Refcounts and transparent huge pages ==
376
377 Refcounting on THP is mostly consistent with refcounting on other compound
378 pages:
379
380   - get_page()/put_page() and GUP operate in head page's ->_count.
381
382   - ->_count in tail pages is always zero: get_page_unless_zero() never
383     succeed on tail pages.
384
385   - map/unmap of the pages with PTE entry increment/decrement ->_mapcount
386     on relevant sub-page of the compound page.
387
388   - map/unmap of the whole compound page accounted in compound_mapcount
389     (stored in first tail page).
390
391 PageDoubleMap() indicates that ->_mapcount in all subpages is offset up by one.
392 This additional reference is required to get race-free detection of unmap of
393 subpages when we have them mapped with both PMDs and PTEs.
394
395 This is optimization required to lower overhead of per-subpage mapcount
396 tracking. The alternative is alter ->_mapcount in all subpages on each
397 map/unmap of the whole compound page.
398
399 We set PG_double_map when a PMD of the page got split for the first time,
400 but still have PMD mapping. The addtional references go away with last
401 compound_mapcount.
402
403 split_huge_page internally has to distribute the refcounts in the head
404 page to the tail pages before clearing all PG_head/tail bits from the page
405 structures. It can be done easily for refcounts taken by page table
406 entries. But we don't have enough information on how to distribute any
407 additional pins (i.e. from get_user_pages). split_huge_page() fails any
408 requests to split pinned huge page: it expects page count to be equal to
409 sum of mapcount of all sub-pages plus one (split_huge_page caller must
410 have reference for head page).
411
412 split_huge_page uses migration entries to stabilize page->_count and
413 page->_mapcount.
414
415 We safe against physical memory scanners too: the only legitimate way
416 scanner can get reference to a page is get_page_unless_zero().
417
418 All tail pages has zero ->_count until atomic_add(). It prevent scanner
419 from geting reference to tail page up to the point. After the atomic_add()
420 we don't care about ->_count value.  We already known how many references
421 with should uncharge from head page.
422
423 For head page get_page_unless_zero() will succeed and we don't mind. It's
424 clear where reference should go after split: it will stay on head page.
425
426 Note that split_huge_pmd() doesn't have any limitation on refcounting:
427 pmd can be split at any point and never fails.
428
429 == Partial unmap and deferred_split_huge_page() ==
430
431 Unmapping part of THP (with munmap() or other way) is not going to free
432 memory immediately. Instead, we detect that a subpage of THP is not in use
433 in page_remove_rmap() and queue the THP for splitting if memory pressure
434 comes. Splitting will free up unused subpages.
435
436 Splitting the page right away is not an option due to locking context in
437 the place where we can detect partial unmap. It's also might be
438 counterproductive since in many cases partial unmap unmap happens during
439 exit(2) if an THP crosses VMA boundary.
440
441 Function deferred_split_huge_page() is used to queue page for splitting.
442 The splitting itself will happen when we get memory pressure via shrinker
443 interface.