mm: thp: set THP defrag by default to madvise and add a stall-free defrag option
[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 defer >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
117 echo madvise >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
118 echo never >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
119
120 "always" means that an application requesting THP will stall on allocation
121 failure and directly reclaim pages and compact memory in an effort to
122 allocate a THP immediately. This may be desirable for virtual machines
123 that benefit heavily from THP use and are willing to delay the VM start
124 to utilise them.
125
126 "defer" means that an application will wake kswapd in the background
127 to reclaim pages and wake kcompact to compact memory so that THP is
128 available in the near future. It's the responsibility of khugepaged
129 to then install the THP pages later.
130
131 "madvise" will enter direct reclaim like "always" but only for regions
132 that are have used madvise(MADV_HUGEPAGE). This is the default behaviour.
133
134 "never" should be self-explanatory.
135
136 By default kernel tries to use huge zero page on read page fault.
137 It's possible to disable huge zero page by writing 0 or enable it
138 back by writing 1:
139
140 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
141 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/use_zero_page
142
143 khugepaged will be automatically started when
144 transparent_hugepage/enabled is set to "always" or "madvise, and it'll
145 be automatically shutdown if it's set to "never".
146
147 khugepaged runs usually at low frequency so while one may not want to
148 invoke defrag algorithms synchronously during the page faults, it
149 should be worth invoking defrag at least in khugepaged. However it's
150 also possible to disable defrag in khugepaged by writing 0 or enable
151 defrag in khugepaged by writing 1:
152
153 echo 0 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
154 echo 1 >/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag
155
156 You can also control how many pages khugepaged should scan at each
157 pass:
158
159 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_to_scan
160
161 and how many milliseconds to wait in khugepaged between each pass (you
162 can set this to 0 to run khugepaged at 100% utilization of one core):
163
164 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/scan_sleep_millisecs
165
166 and how many milliseconds to wait in khugepaged if there's an hugepage
167 allocation failure to throttle the next allocation attempt.
168
169 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/alloc_sleep_millisecs
170
171 The khugepaged progress can be seen in the number of pages collapsed:
172
173 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_collapsed
174
175 for each pass:
176
177 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/full_scans
178
179 max_ptes_none specifies how many extra small pages (that are
180 not already mapped) can be allocated when collapsing a group
181 of small pages into one large page.
182
183 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_none
184
185 A higher value leads to use additional memory for programs.
186 A lower value leads to gain less thp performance. Value of
187 max_ptes_none can waste cpu time very little, you can
188 ignore it.
189
190 max_ptes_swap specifies how many pages can be brought in from
191 swap when collapsing a group of pages into a transparent huge page.
192
193 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/max_ptes_swap
194
195 A higher value can cause excessive swap IO and waste
196 memory. A lower value can prevent THPs from being
197 collapsed, resulting fewer pages being collapsed into
198 THPs, and lower memory access performance.
199
200 == Boot parameter ==
201
202 You can change the sysfs boot time defaults of Transparent Hugepage
203 Support by passing the parameter "transparent_hugepage=always" or
204 "transparent_hugepage=madvise" or "transparent_hugepage=never"
205 (without "") to the kernel command line.
206
207 == Need of application restart ==
208
209 The transparent_hugepage/enabled values only affect future
210 behavior. So to make them effective you need to restart any
211 application that could have been using hugepages. This also applies to
212 the regions registered in khugepaged.
213
214 == Monitoring usage ==
215
216 The number of transparent huge pages currently used by the system is
217 available by reading the AnonHugePages field in /proc/meminfo. To
218 identify what applications are using transparent huge pages, it is
219 necessary to read /proc/PID/smaps and count the AnonHugePages fields
220 for each mapping. Note that reading the smaps file is expensive and
221 reading it frequently will incur overhead.
222
223 There are a number of counters in /proc/vmstat that may be used to
224 monitor how successfully the system is providing huge pages for use.
225
226 thp_fault_alloc is incremented every time a huge page is successfully
227         allocated to handle a page fault. This applies to both the
228         first time a page is faulted and for COW faults.
229
230 thp_collapse_alloc is incremented by khugepaged when it has found
231         a range of pages to collapse into one huge page and has
232         successfully allocated a new huge page to store the data.
233
234 thp_fault_fallback is incremented if a page fault fails to allocate
235         a huge page and instead falls back to using small pages.
236
237 thp_collapse_alloc_failed is incremented if khugepaged found a range
238         of pages that should be collapsed into one huge page but failed
239         the allocation.
240
241 thp_split_page is incremented every time a huge page is split into base
242         pages. This can happen for a variety of reasons but a common
243         reason is that a huge page is old and is being reclaimed.
244         This action implies splitting all PMD the page mapped with.
245
246 thp_split_page_failed is is incremented if kernel fails to split huge
247         page. This can happen if the page was pinned by somebody.
248
249 thp_deferred_split_page is incremented when a huge page is put onto split
250         queue. This happens when a huge page is partially unmapped and
251         splitting it would free up some memory. Pages on split queue are
252         going to be split under memory pressure.
253
254 thp_split_pmd is incremented every time a PMD split into table of PTEs.
255         This can happen, for instance, when application calls mprotect() or
256         munmap() on part of huge page. It doesn't split huge page, only
257         page table entry.
258
259 thp_zero_page_alloc is incremented every time a huge zero page is
260         successfully allocated. It includes allocations which where
261         dropped due race with other allocation. Note, it doesn't count
262         every map of the huge zero page, only its allocation.
263
264 thp_zero_page_alloc_failed is incremented if kernel fails to allocate
265         huge zero page and falls back to using small pages.
266
267 As the system ages, allocating huge pages may be expensive as the
268 system uses memory compaction to copy data around memory to free a
269 huge page for use. There are some counters in /proc/vmstat to help
270 monitor this overhead.
271
272 compact_stall is incremented every time a process stalls to run
273         memory compaction so that a huge page is free for use.
274
275 compact_success is incremented if the system compacted memory and
276         freed a huge page for use.
277
278 compact_fail is incremented if the system tries to compact memory
279         but failed.
280
281 compact_pages_moved is incremented each time a page is moved. If
282         this value is increasing rapidly, it implies that the system
283         is copying a lot of data to satisfy the huge page allocation.
284         It is possible that the cost of copying exceeds any savings
285         from reduced TLB misses.
286
287 compact_pagemigrate_failed is incremented when the underlying mechanism
288         for moving a page failed.
289
290 compact_blocks_moved is incremented each time memory compaction examines
291         a huge page aligned range of pages.
292
293 It is possible to establish how long the stalls were using the function
294 tracer to record how long was spent in __alloc_pages_nodemask and
295 using the mm_page_alloc tracepoint to identify which allocations were
296 for huge pages.
297
298 == get_user_pages and follow_page ==
299
300 get_user_pages and follow_page if run on a hugepage, will return the
301 head or tail pages as usual (exactly as they would do on
302 hugetlbfs). Most gup users will only care about the actual physical
303 address of the page and its temporary pinning to release after the I/O
304 is complete, so they won't ever notice the fact the page is huge. But
305 if any driver is going to mangle over the page structure of the tail
306 page (like for checking page->mapping or other bits that are relevant
307 for the head page and not the tail page), it should be updated to jump
308 to check head page instead. Taking reference on any head/tail page would
309 prevent page from being split by anyone.
310
311 NOTE: these aren't new constraints to the GUP API, and they match the
312 same constrains that applies to hugetlbfs too, so any driver capable
313 of handling GUP on hugetlbfs will also work fine on transparent
314 hugepage backed mappings.
315
316 In case you can't handle compound pages if they're returned by
317 follow_page, the FOLL_SPLIT bit can be specified as parameter to
318 follow_page, so that it will split the hugepages before returning
319 them. Migration for example passes FOLL_SPLIT as parameter to
320 follow_page because it's not hugepage aware and in fact it can't work
321 at all on hugetlbfs (but it instead works fine on transparent
322 hugepages thanks to FOLL_SPLIT). migration simply can't deal with
323 hugepages being returned (as it's not only checking the pfn of the
324 page and pinning it during the copy but it pretends to migrate the
325 memory in regular page sizes and with regular pte/pmd mappings).
326
327 == Optimizing the applications ==
328
329 To be guaranteed that the kernel will map a 2M page immediately in any
330 memory region, the mmap region has to be hugepage naturally
331 aligned. posix_memalign() can provide that guarantee.
332
333 == Hugetlbfs ==
334
335 You can use hugetlbfs on a kernel that has transparent hugepage
336 support enabled just fine as always. No difference can be noted in
337 hugetlbfs other than there will be less overall fragmentation. All
338 usual features belonging to hugetlbfs are preserved and
339 unaffected. libhugetlbfs will also work fine as usual.
340
341 == Graceful fallback ==
342
343 Code walking pagetables but unware about huge pmds can simply call
344 split_huge_pmd(vma, pmd, addr) where the pmd is the one returned by
345 pmd_offset. It's trivial to make the code transparent hugepage aware
346 by just grepping for "pmd_offset" and adding split_huge_pmd where
347 missing after pmd_offset returns the pmd. Thanks to the graceful
348 fallback design, with a one liner change, you can avoid to write
349 hundred if not thousand of lines of complex code to make your code
350 hugepage aware.
351
352 If you're not walking pagetables but you run into a physical hugepage
353 but you can't handle it natively in your code, you can split it by
354 calling split_huge_page(page). This is what the Linux VM does before
355 it tries to swapout the hugepage for example. split_huge_page() can fail
356 if the page is pinned and you must handle this correctly.
357
358 Example to make mremap.c transparent hugepage aware with a one liner
359 change:
360
361 diff --git a/mm/mremap.c b/mm/mremap.c
362 --- a/mm/mremap.c
363 +++ b/mm/mremap.c
364 @@ -41,6 +41,7 @@ static pmd_t *get_old_pmd(struct mm_stru
365                 return NULL;
366
367         pmd = pmd_offset(pud, addr);
368 +       split_huge_pmd(vma, pmd, addr);
369         if (pmd_none_or_clear_bad(pmd))
370                 return NULL;
371
372 == Locking in hugepage aware code ==
373
374 We want as much code as possible hugepage aware, as calling
375 split_huge_page() or split_huge_pmd() has a cost.
376
377 To make pagetable walks huge pmd aware, all you need to do is to call
378 pmd_trans_huge() on the pmd returned by pmd_offset. You must hold the
379 mmap_sem in read (or write) mode to be sure an huge pmd cannot be
380 created from under you by khugepaged (khugepaged collapse_huge_page
381 takes the mmap_sem in write mode in addition to the anon_vma lock). If
382 pmd_trans_huge returns false, you just fallback in the old code
383 paths. If instead pmd_trans_huge returns true, you have to take the
384 page table lock (pmd_lock()) and re-run pmd_trans_huge. Taking the
385 page table lock will prevent the huge pmd to be converted into a
386 regular pmd from under you (split_huge_pmd can run in parallel to the
387 pagetable walk). If the second pmd_trans_huge returns false, you
388 should just drop the page table lock and fallback to the old code as
389 before. Otherwise you can proceed to process the huge pmd and the
390 hugepage natively. Once finished you can drop the page table lock.
391
392 == Refcounts and transparent huge pages ==
393
394 Refcounting on THP is mostly consistent with refcounting on other compound
395 pages:
396
397   - get_page()/put_page() and GUP operate in head page's ->_count.
398
399   - ->_count in tail pages is always zero: get_page_unless_zero() never
400     succeed on tail pages.
401
402   - map/unmap of the pages with PTE entry increment/decrement ->_mapcount
403     on relevant sub-page of the compound page.
404
405   - map/unmap of the whole compound page accounted in compound_mapcount
406     (stored in first tail page).
407
408 PageDoubleMap() indicates that ->_mapcount in all subpages is offset up by one.
409 This additional reference is required to get race-free detection of unmap of
410 subpages when we have them mapped with both PMDs and PTEs.
411
412 This is optimization required to lower overhead of per-subpage mapcount
413 tracking. The alternative is alter ->_mapcount in all subpages on each
414 map/unmap of the whole compound page.
415
416 We set PG_double_map when a PMD of the page got split for the first time,
417 but still have PMD mapping. The addtional references go away with last
418 compound_mapcount.
419
420 split_huge_page internally has to distribute the refcounts in the head
421 page to the tail pages before clearing all PG_head/tail bits from the page
422 structures. It can be done easily for refcounts taken by page table
423 entries. But we don't have enough information on how to distribute any
424 additional pins (i.e. from get_user_pages). split_huge_page() fails any
425 requests to split pinned huge page: it expects page count to be equal to
426 sum of mapcount of all sub-pages plus one (split_huge_page caller must
427 have reference for head page).
428
429 split_huge_page uses migration entries to stabilize page->_count and
430 page->_mapcount.
431
432 We safe against physical memory scanners too: the only legitimate way
433 scanner can get reference to a page is get_page_unless_zero().
434
435 All tail pages has zero ->_count until atomic_add(). It prevent scanner
436 from geting reference to tail page up to the point. After the atomic_add()
437 we don't care about ->_count value.  We already known how many references
438 with should uncharge from head page.
439
440 For head page get_page_unless_zero() will succeed and we don't mind. It's
441 clear where reference should go after split: it will stay on head page.
442
443 Note that split_huge_pmd() doesn't have any limitation on refcounting:
444 pmd can be split at any point and never fails.
445
446 == Partial unmap and deferred_split_huge_page() ==
447
448 Unmapping part of THP (with munmap() or other way) is not going to free
449 memory immediately. Instead, we detect that a subpage of THP is not in use
450 in page_remove_rmap() and queue the THP for splitting if memory pressure
451 comes. Splitting will free up unused subpages.
452
453 Splitting the page right away is not an option due to locking context in
454 the place where we can detect partial unmap. It's also might be
455 counterproductive since in many cases partial unmap unmap happens during
456 exit(2) if an THP crosses VMA boundary.
457
458 Function deferred_split_huge_page() is used to queue page for splitting.
459 The splitting itself will happen when we get memory pressure via shrinker
460 interface.