[PATCH] x86: i8253/i8259A lock cleanup
[pandora-kernel.git] / Documentation / cpusets.txt
1                                 CPUSETS
2                                 -------
3
4 Copyright (C) 2004 BULL SA.
5 Written by Simon.Derr@bull.net
6
7 Portions Copyright (c) 2004 Silicon Graphics, Inc.
8 Modified by Paul Jackson <pj@sgi.com>
9
10 CONTENTS:
11 =========
12
13 1. Cpusets
14   1.1 What are cpusets ?
15   1.2 Why are cpusets needed ?
16   1.3 How are cpusets implemented ?
17   1.4 How do I use cpusets ?
18 2. Usage Examples and Syntax
19   2.1 Basic Usage
20   2.2 Adding/removing cpus
21   2.3 Setting flags
22   2.4 Attaching processes
23 3. Questions
24 4. Contact
25
26 1. Cpusets
27 ==========
28
29 1.1 What are cpusets ?
30 ----------------------
31
32 Cpusets provide a mechanism for assigning a set of CPUs and Memory
33 Nodes to a set of tasks.
34
35 Cpusets constrain the CPU and Memory placement of tasks to only
36 the resources within a tasks current cpuset.  They form a nested
37 hierarchy visible in a virtual file system.  These are the essential
38 hooks, beyond what is already present, required to manage dynamic
39 job placement on large systems.
40
41 Each task has a pointer to a cpuset.  Multiple tasks may reference
42 the same cpuset.  Requests by a task, using the sched_setaffinity(2)
43 system call to include CPUs in its CPU affinity mask, and using the
44 mbind(2) and set_mempolicy(2) system calls to include Memory Nodes
45 in its memory policy, are both filtered through that tasks cpuset,
46 filtering out any CPUs or Memory Nodes not in that cpuset.  The
47 scheduler will not schedule a task on a CPU that is not allowed in
48 its cpus_allowed vector, and the kernel page allocator will not
49 allocate a page on a node that is not allowed in the requesting tasks
50 mems_allowed vector.
51
52 If a cpuset is cpu or mem exclusive, no other cpuset, other than a direct
53 ancestor or descendent, may share any of the same CPUs or Memory Nodes.
54 A cpuset that is cpu exclusive has a sched domain associated with it.
55 The sched domain consists of all cpus in the current cpuset that are not
56 part of any exclusive child cpusets.
57 This ensures that the scheduler load balacing code only balances
58 against the cpus that are in the sched domain as defined above and not
59 all of the cpus in the system. This removes any overhead due to
60 load balancing code trying to pull tasks outside of the cpu exclusive
61 cpuset only to be prevented by the tasks' cpus_allowed mask.
62
63 User level code may create and destroy cpusets by name in the cpuset
64 virtual file system, manage the attributes and permissions of these
65 cpusets and which CPUs and Memory Nodes are assigned to each cpuset,
66 specify and query to which cpuset a task is assigned, and list the
67 task pids assigned to a cpuset.
68
69
70 1.2 Why are cpusets needed ?
71 ----------------------------
72
73 The management of large computer systems, with many processors (CPUs),
74 complex memory cache hierarchies and multiple Memory Nodes having
75 non-uniform access times (NUMA) presents additional challenges for
76 the efficient scheduling and memory placement of processes.
77
78 Frequently more modest sized systems can be operated with adequate
79 efficiency just by letting the operating system automatically share
80 the available CPU and Memory resources amongst the requesting tasks.
81
82 But larger systems, which benefit more from careful processor and
83 memory placement to reduce memory access times and contention,
84 and which typically represent a larger investment for the customer,
85 can benefit from explictly placing jobs on properly sized subsets of
86 the system.
87
88 This can be especially valuable on:
89
90     * Web Servers running multiple instances of the same web application,
91     * Servers running different applications (for instance, a web server
92       and a database), or
93     * NUMA systems running large HPC applications with demanding
94       performance characteristics.
95     * Also cpu_exclusive cpusets are useful for servers running orthogonal
96       workloads such as RT applications requiring low latency and HPC
97       applications that are throughput sensitive
98
99 These subsets, or "soft partitions" must be able to be dynamically
100 adjusted, as the job mix changes, without impacting other concurrently
101 executing jobs.
102
103 The kernel cpuset patch provides the minimum essential kernel
104 mechanisms required to efficiently implement such subsets.  It
105 leverages existing CPU and Memory Placement facilities in the Linux
106 kernel to avoid any additional impact on the critical scheduler or
107 memory allocator code.
108
109
110 1.3 How are cpusets implemented ?
111 ---------------------------------
112
113 Cpusets provide a Linux kernel (2.6.7 and above) mechanism to constrain
114 which CPUs and Memory Nodes are used by a process or set of processes.
115
116 The Linux kernel already has a pair of mechanisms to specify on which
117 CPUs a task may be scheduled (sched_setaffinity) and on which Memory
118 Nodes it may obtain memory (mbind, set_mempolicy).
119
120 Cpusets extends these two mechanisms as follows:
121
122  - Cpusets are sets of allowed CPUs and Memory Nodes, known to the
123    kernel.
124  - Each task in the system is attached to a cpuset, via a pointer
125    in the task structure to a reference counted cpuset structure.
126  - Calls to sched_setaffinity are filtered to just those CPUs
127    allowed in that tasks cpuset.
128  - Calls to mbind and set_mempolicy are filtered to just
129    those Memory Nodes allowed in that tasks cpuset.
130  - The root cpuset contains all the systems CPUs and Memory
131    Nodes.
132  - For any cpuset, one can define child cpusets containing a subset
133    of the parents CPU and Memory Node resources.
134  - The hierarchy of cpusets can be mounted at /dev/cpuset, for
135    browsing and manipulation from user space.
136  - A cpuset may be marked exclusive, which ensures that no other
137    cpuset (except direct ancestors and descendents) may contain
138    any overlapping CPUs or Memory Nodes.
139    Also a cpu_exclusive cpuset would be associated with a sched
140    domain.
141  - You can list all the tasks (by pid) attached to any cpuset.
142
143 The implementation of cpusets requires a few, simple hooks
144 into the rest of the kernel, none in performance critical paths:
145
146  - in main/init.c, to initialize the root cpuset at system boot.
147  - in fork and exit, to attach and detach a task from its cpuset.
148  - in sched_setaffinity, to mask the requested CPUs by what's
149    allowed in that tasks cpuset.
150  - in sched.c migrate_all_tasks(), to keep migrating tasks within
151    the CPUs allowed by their cpuset, if possible.
152  - in sched.c, a new API partition_sched_domains for handling
153    sched domain changes associated with cpu_exclusive cpusets
154    and related changes in both sched.c and arch/ia64/kernel/domain.c
155  - in the mbind and set_mempolicy system calls, to mask the requested
156    Memory Nodes by what's allowed in that tasks cpuset.
157  - in page_alloc, to restrict memory to allowed nodes.
158  - in vmscan.c, to restrict page recovery to the current cpuset.
159
160 In addition a new file system, of type "cpuset" may be mounted,
161 typically at /dev/cpuset, to enable browsing and modifying the cpusets
162 presently known to the kernel.  No new system calls are added for
163 cpusets - all support for querying and modifying cpusets is via
164 this cpuset file system.
165
166 Each task under /proc has an added file named 'cpuset', displaying
167 the cpuset name, as the path relative to the root of the cpuset file
168 system.
169
170 The /proc/<pid>/status file for each task has two added lines,
171 displaying the tasks cpus_allowed (on which CPUs it may be scheduled)
172 and mems_allowed (on which Memory Nodes it may obtain memory),
173 in the format seen in the following example:
174
175   Cpus_allowed:   ffffffff,ffffffff,ffffffff,ffffffff
176   Mems_allowed:   ffffffff,ffffffff
177
178 Each cpuset is represented by a directory in the cpuset file system
179 containing the following files describing that cpuset:
180
181  - cpus: list of CPUs in that cpuset
182  - mems: list of Memory Nodes in that cpuset
183  - cpu_exclusive flag: is cpu placement exclusive?
184  - mem_exclusive flag: is memory placement exclusive?
185  - tasks: list of tasks (by pid) attached to that cpuset
186
187 New cpusets are created using the mkdir system call or shell
188 command.  The properties of a cpuset, such as its flags, allowed
189 CPUs and Memory Nodes, and attached tasks, are modified by writing
190 to the appropriate file in that cpusets directory, as listed above.
191
192 The named hierarchical structure of nested cpusets allows partitioning
193 a large system into nested, dynamically changeable, "soft-partitions".
194
195 The attachment of each task, automatically inherited at fork by any
196 children of that task, to a cpuset allows organizing the work load
197 on a system into related sets of tasks such that each set is constrained
198 to using the CPUs and Memory Nodes of a particular cpuset.  A task
199 may be re-attached to any other cpuset, if allowed by the permissions
200 on the necessary cpuset file system directories.
201
202 Such management of a system "in the large" integrates smoothly with
203 the detailed placement done on individual tasks and memory regions
204 using the sched_setaffinity, mbind and set_mempolicy system calls.
205
206 The following rules apply to each cpuset:
207
208  - Its CPUs and Memory Nodes must be a subset of its parents.
209  - It can only be marked exclusive if its parent is.
210  - If its cpu or memory is exclusive, they may not overlap any sibling.
211
212 These rules, and the natural hierarchy of cpusets, enable efficient
213 enforcement of the exclusive guarantee, without having to scan all
214 cpusets every time any of them change to ensure nothing overlaps a
215 exclusive cpuset.  Also, the use of a Linux virtual file system (vfs)
216 to represent the cpuset hierarchy provides for a familiar permission
217 and name space for cpusets, with a minimum of additional kernel code.
218
219 1.4 How do I use cpusets ?
220 --------------------------
221
222 In order to minimize the impact of cpusets on critical kernel
223 code, such as the scheduler, and due to the fact that the kernel
224 does not support one task updating the memory placement of another
225 task directly, the impact on a task of changing its cpuset CPU
226 or Memory Node placement, or of changing to which cpuset a task
227 is attached, is subtle.
228
229 If a cpuset has its Memory Nodes modified, then for each task attached
230 to that cpuset, the next time that the kernel attempts to allocate
231 a page of memory for that task, the kernel will notice the change
232 in the tasks cpuset, and update its per-task memory placement to
233 remain within the new cpusets memory placement.  If the task was using
234 mempolicy MPOL_BIND, and the nodes to which it was bound overlap with
235 its new cpuset, then the task will continue to use whatever subset
236 of MPOL_BIND nodes are still allowed in the new cpuset.  If the task
237 was using MPOL_BIND and now none of its MPOL_BIND nodes are allowed
238 in the new cpuset, then the task will be essentially treated as if it
239 was MPOL_BIND bound to the new cpuset (even though its numa placement,
240 as queried by get_mempolicy(), doesn't change).  If a task is moved
241 from one cpuset to another, then the kernel will adjust the tasks
242 memory placement, as above, the next time that the kernel attempts
243 to allocate a page of memory for that task.
244
245 If a cpuset has its CPUs modified, then each task using that
246 cpuset does _not_ change its behavior automatically.  In order to
247 minimize the impact on the critical scheduling code in the kernel,
248 tasks will continue to use their prior CPU placement until they
249 are rebound to their cpuset, by rewriting their pid to the 'tasks'
250 file of their cpuset.  If a task had been bound to some subset of its
251 cpuset using the sched_setaffinity() call, and if any of that subset
252 is still allowed in its new cpuset settings, then the task will be
253 restricted to the intersection of the CPUs it was allowed on before,
254 and its new cpuset CPU placement.  If, on the other hand, there is
255 no overlap between a tasks prior placement and its new cpuset CPU
256 placement, then the task will be allowed to run on any CPU allowed
257 in its new cpuset.  If a task is moved from one cpuset to another,
258 its CPU placement is updated in the same way as if the tasks pid is
259 rewritten to the 'tasks' file of its current cpuset.
260
261 In summary, the memory placement of a task whose cpuset is changed is
262 updated by the kernel, on the next allocation of a page for that task,
263 but the processor placement is not updated, until that tasks pid is
264 rewritten to the 'tasks' file of its cpuset.  This is done to avoid
265 impacting the scheduler code in the kernel with a check for changes
266 in a tasks processor placement.
267
268 There is an exception to the above.  If hotplug funtionality is used
269 to remove all the CPUs that are currently assigned to a cpuset,
270 then the kernel will automatically update the cpus_allowed of all
271 tasks attached to CPUs in that cpuset to allow all CPUs.  When memory
272 hotplug functionality for removing Memory Nodes is available, a
273 similar exception is expected to apply there as well.  In general,
274 the kernel prefers to violate cpuset placement, over starving a task
275 that has had all its allowed CPUs or Memory Nodes taken offline.  User
276 code should reconfigure cpusets to only refer to online CPUs and Memory
277 Nodes when using hotplug to add or remove such resources.
278
279 There is a second exception to the above.  GFP_ATOMIC requests are
280 kernel internal allocations that must be satisfied, immediately.
281 The kernel may drop some request, in rare cases even panic, if a
282 GFP_ATOMIC alloc fails.  If the request cannot be satisfied within
283 the current tasks cpuset, then we relax the cpuset, and look for
284 memory anywhere we can find it.  It's better to violate the cpuset
285 than stress the kernel.
286
287 To start a new job that is to be contained within a cpuset, the steps are:
288
289  1) mkdir /dev/cpuset
290  2) mount -t cpuset none /dev/cpuset
291  3) Create the new cpuset by doing mkdir's and write's (or echo's) in
292     the /dev/cpuset virtual file system.
293  4) Start a task that will be the "founding father" of the new job.
294  5) Attach that task to the new cpuset by writing its pid to the
295     /dev/cpuset tasks file for that cpuset.
296  6) fork, exec or clone the job tasks from this founding father task.
297
298 For example, the following sequence of commands will setup a cpuset
299 named "Charlie", containing just CPUs 2 and 3, and Memory Node 1,
300 and then start a subshell 'sh' in that cpuset:
301
302   mount -t cpuset none /dev/cpuset
303   cd /dev/cpuset
304   mkdir Charlie
305   cd Charlie
306   /bin/echo 2-3 > cpus
307   /bin/echo 1 > mems
308   /bin/echo $$ > tasks
309   sh
310   # The subshell 'sh' is now running in cpuset Charlie
311   # The next line should display '/Charlie'
312   cat /proc/self/cpuset
313
314 In the case that a change of cpuset includes wanting to move already
315 allocated memory pages, consider further the work of IWAMOTO
316 Toshihiro <iwamoto@valinux.co.jp> for page remapping and memory
317 hotremoval, which can be found at:
318
319   http://people.valinux.co.jp/~iwamoto/mh.html
320
321 The integration of cpusets with such memory migration is not yet
322 available.
323
324 In the future, a C library interface to cpusets will likely be
325 available.  For now, the only way to query or modify cpusets is
326 via the cpuset file system, using the various cd, mkdir, echo, cat,
327 rmdir commands from the shell, or their equivalent from C.
328
329 The sched_setaffinity calls can also be done at the shell prompt using
330 SGI's runon or Robert Love's taskset.  The mbind and set_mempolicy
331 calls can be done at the shell prompt using the numactl command
332 (part of Andi Kleen's numa package).
333
334 2. Usage Examples and Syntax
335 ============================
336
337 2.1 Basic Usage
338 ---------------
339
340 Creating, modifying, using the cpusets can be done through the cpuset
341 virtual filesystem.
342
343 To mount it, type:
344 # mount -t cpuset none /dev/cpuset
345
346 Then under /dev/cpuset you can find a tree that corresponds to the
347 tree of the cpusets in the system. For instance, /dev/cpuset
348 is the cpuset that holds the whole system.
349
350 If you want to create a new cpuset under /dev/cpuset:
351 # cd /dev/cpuset
352 # mkdir my_cpuset
353
354 Now you want to do something with this cpuset.
355 # cd my_cpuset
356
357 In this directory you can find several files:
358 # ls
359 cpus  cpu_exclusive  mems  mem_exclusive  tasks
360
361 Reading them will give you information about the state of this cpuset:
362 the CPUs and Memory Nodes it can use, the processes that are using
363 it, its properties.  By writing to these files you can manipulate
364 the cpuset.
365
366 Set some flags:
367 # /bin/echo 1 > cpu_exclusive
368
369 Add some cpus:
370 # /bin/echo 0-7 > cpus
371
372 Now attach your shell to this cpuset:
373 # /bin/echo $$ > tasks
374
375 You can also create cpusets inside your cpuset by using mkdir in this
376 directory.
377 # mkdir my_sub_cs
378
379 To remove a cpuset, just use rmdir:
380 # rmdir my_sub_cs
381 This will fail if the cpuset is in use (has cpusets inside, or has
382 processes attached).
383
384 2.2 Adding/removing cpus
385 ------------------------
386
387 This is the syntax to use when writing in the cpus or mems files
388 in cpuset directories:
389
390 # /bin/echo 1-4 > cpus          -> set cpus list to cpus 1,2,3,4
391 # /bin/echo 1,2,3,4 > cpus      -> set cpus list to cpus 1,2,3,4
392
393 2.3 Setting flags
394 -----------------
395
396 The syntax is very simple:
397
398 # /bin/echo 1 > cpu_exclusive   -> set flag 'cpu_exclusive'
399 # /bin/echo 0 > cpu_exclusive   -> unset flag 'cpu_exclusive'
400
401 2.4 Attaching processes
402 -----------------------
403
404 # /bin/echo PID > tasks
405
406 Note that it is PID, not PIDs. You can only attach ONE task at a time.
407 If you have several tasks to attach, you have to do it one after another:
408
409 # /bin/echo PID1 > tasks
410 # /bin/echo PID2 > tasks
411         ...
412 # /bin/echo PIDn > tasks
413
414
415 3. Questions
416 ============
417
418 Q: what's up with this '/bin/echo' ?
419 A: bash's builtin 'echo' command does not check calls to write() against
420    errors. If you use it in the cpuset file system, you won't be
421    able to tell whether a command succeeded or failed.
422
423 Q: When I attach processes, only the first of the line gets really attached !
424 A: We can only return one error code per call to write(). So you should also
425    put only ONE pid.
426
427 4. Contact
428 ==========
429
430 Web: http://www.bullopensource.org/cpuset