Documentation/vm/numa_memory_policy.txt

   1
   2 What is Linux Memory Policy?
   3
   4 In the Linux kernel, "memory policy" determines from which node the kernel will
   5 allocate memory in a NUMA system or in an emulated NUMA system.  Linux has
   6 supported platforms with Non-Uniform Memory Access architectures since 2.4.?.
   7 The current memory policy support was added to Linux 2.6 around May 2004.  This
   8 document attempts to describe the concepts and APIs of the 2.6 memory policy
   9 support.
  10
  11 Memory policies should not be confused with cpusets (Documentation/cpusets.txt)
  12 which is an administrative mechanism for restricting the nodes from which
  13 memory may be allocated by a set of processes. Memory policies are a
  14 programming interface that a NUMA-aware application can take advantage of.  When
  15 both cpusets and policies are applied to a task, the restrictions of the cpuset
  16 takes priority.  See "MEMORY POLICIES AND CPUSETS" below for more details.
  17
  18 MEMORY POLICY CONCEPTS
  19
  20 Scope of Memory Policies
  21
  22 The Linux kernel supports _scopes_ of memory policy, described here from
  23 most general to most specific:
  24
  25     System Default Policy:  this policy is "hard coded" into the kernel.  It
  26     is the policy that governs all page allocations that aren't controlled
  27     by one of the more specific policy scopes discussed below.  When the
  28     system is "up and running", the system default policy will use "local
  29     allocation" described below.  However, during boot up, the system
  30     default policy will be set to interleave allocations across all nodes
  31     with "sufficient" memory, so as not to overload the initial boot node
  32     with boot-time allocations.
  33
  34     Task/Process Policy:  this is an optional, per-task policy.  When defined
  35     for a specific task, this policy controls all page allocations made by or
  36     on behalf of the task that aren't controlled by a more specific scope.
  37     If a task does not define a task policy, then all page allocations that
  38     would have been controlled by the task policy "fall back" to the System
  39     Default Policy.
  40
  41         The task policy applies to the entire address space of a task. Thus,
  42         it is inheritable, and indeed is inherited, across both fork()
  43         [clone() w/o the CLONE_VM flag] and exec*().  This allows a parent task
  44         to establish the task policy for a child task exec()'d from an
  45         executable image that has no awareness of memory policy.  See the
  46         MEMORY POLICY APIS section, below, for an overview of the system call
  47         that a task may use to set/change it's task/process policy.
  48
  49         In a multi-threaded task, task policies apply only to the thread
  50         [Linux kernel task] that installs the policy and any threads
  51         subsequently created by that thread.  Any sibling threads existing
  52         at the time a new task policy is installed retain their current
  53         policy.
  54
  55         A task policy applies only to pages allocated after the policy is
  56         installed.  Any pages already faulted in by the task when the task
  57         changes its task policy remain where they were allocated based on
  58         the policy at the time they were allocated.
  59
  60     VMA Policy:  A "VMA" or "Virtual Memory Area" refers to a range of a task's
  61     virtual adddress space.  A task may define a specific policy for a range
  62     of its virtual address space.   See the MEMORY POLICIES APIS section,
  63     below, for an overview of the mbind() system call used to set a VMA
  64     policy.
  65
  66     A VMA policy will govern the allocation of pages that back this region of
  67     the address space.  Any regions of the task's address space that don't
  68     have an explicit VMA policy will fall back to the task policy, which may
  69     itself fall back to the System Default Policy.
  70
  71     VMA policies have a few complicating details:
  72
  73         VMA policy applies ONLY to anonymous pages.  These include pages
  74         allocated for anonymous segments, such as the task stack and heap, and
  75         any regions of the address space mmap()ed with the MAP_ANONYMOUS flag.
  76         If a VMA policy is applied to a file mapping, it will be ignored if
  77         the mapping used the MAP_SHARED flag.  If the file mapping used the
  78         MAP_PRIVATE flag, the VMA policy will only be applied when an
  79         anonymous page is allocated on an attempt to write to the mapping--
  80         i.e., at Copy-On-Write.
  81
  82         VMA policies are shared between all tasks that share a virtual address
  83         space--a.k.a. threads--independent of when the policy is installed; and
  84         they are inherited across fork().  However, because VMA policies refer
  85         to a specific region of a task's address space, and because the address
  86         space is discarded and recreated on exec*(), VMA policies are NOT
  87         inheritable across exec().  Thus, only NUMA-aware applications may
  88         use VMA policies.
  89
  90         A task may install a new VMA policy on a sub-range of a previously
  91         mmap()ed region.  When this happens, Linux splits the existing virtual
  92         memory area into 2 or 3 VMAs, each with it's own policy.
  93
  94         By default, VMA policy applies only to pages allocated after the policy
  95         is installed.  Any pages already faulted into the VMA range remain
  96         where they were allocated based on the policy at the time they were
  97         allocated.  However, since 2.6.16, Linux supports page migration via
  98         the mbind() system call, so that page contents can be moved to match
  99         a newly installed policy.
 100
 101     Shared Policy:  Conceptually, shared policies apply to "memory objects"
 102     mapped shared into one or more tasks' distinct address spaces.  An
 103     application installs a shared policies the same way as VMA policies--using
 104     the mbind() system call specifying a range of virtual addresses that map
 105     the shared object.  However, unlike VMA policies, which can be considered
 106     to be an attribute of a range of a task's address space, shared policies
 107     apply directly to the shared object.  Thus, all tasks that attach to the
 108     object share the policy, and all pages allocated for the shared object,
 109     by any task, will obey the shared policy.
 110
 111         As of 2.6.22, only shared memory segments, created by shmget() or
 112         mmap(MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED), support shared policy.  When shared
 113         policy support was added to Linux, the associated data structures were
 114         added to hugetlbfs shmem segments.  At the time, hugetlbfs did not
 115         support allocation at fault time--a.k.a lazy allocation--so hugetlbfs
 116         shmem segments were never "hooked up" to the shared policy support.
 117         Although hugetlbfs segments now support lazy allocation, their support
 118         for shared policy has not been completed.
 119
 120         As mentioned above [re: VMA policies], allocations of page cache
 121         pages for regular files mmap()ed with MAP_SHARED ignore any VMA
 122         policy installed on the virtual address range backed by the shared
 123         file mapping.  Rather, shared page cache pages, including pages backing
 124         private mappings that have not yet been written by the task, follow
 125         task policy, if any, else System Default Policy.
 126
 127         The shared policy infrastructure supports different policies on subset
 128         ranges of the shared object.  However, Linux still splits the VMA of
 129         the task that installs the policy for each range of distinct policy.
 130         Thus, different tasks that attach to a shared memory segment can have
 131         different VMA configurations mapping that one shared object.  This
 132         can be seen by examining the /proc/<pid>/numa_maps of tasks sharing
 133         a shared memory region, when one task has installed shared policy on
 134         one or more ranges of the region.
 135
 136 Components of Memory Policies
 137
 138     A Linux memory policy is a tuple consisting of a "mode" and an optional set
 139     of nodes.  The mode determine the behavior of the policy, while the
 140     optional set of nodes can be viewed as the arguments to the behavior.
 141
 142    Internally, memory policies are implemented by a reference counted
 143    structure, struct mempolicy.  Details of this structure will be discussed
 144    in context, below, as required to explain the behavior.
 145
 146         Note:  in some functions AND in the struct mempolicy itself, the mode
 147         is called "policy".  However, to avoid confusion with the policy tuple,
 148         this document will continue to use the term "mode".
 149
 150    Linux memory policy supports the following 4 behavioral modes:
 151
 152         Default Mode--MPOL_DEFAULT:  The behavior specified by this mode is
 153         context or scope dependent.
 154
 155             As mentioned in the Policy Scope section above, during normal
 156             system operation, the System Default Policy is hard coded to
 157             contain the Default mode.
 158
 159             In this context, default mode means "local" allocation--that is
 160             attempt to allocate the page from the node associated with the cpu
 161             where the fault occurs.  If the "local" node has no memory, or the
 162             node's memory can be exhausted [no free pages available], local
 163             allocation will "fallback to"--attempt to allocate pages from--
 164             "nearby" nodes, in order of increasing "distance".
 165
 166                 Implementation detail -- subject to change:  "Fallback" uses
 167                 a per node list of sibling nodes--called zonelists--built at
 168                 boot time, or when nodes or memory are added or removed from
 169                 the system [memory hotplug].  These per node zonelist are
 170                 constructed with nodes in order of increasing distance based
 171                 on information provided by the platform firmware.
 172
 173             When a task/process policy or a shared policy contains the Default
 174             mode, this also means "local allocation", as described above.
 175
 176             In the context of a VMA, Default mode means "fall back to task
 177             policy"--which may or may not specify Default mode.  Thus, Default
 178             mode can not be counted on to mean local allocation when used
 179             on a non-shared region of the address space.  However, see
 180             MPOL_PREFERRED below.
 181
 182             The Default mode does not use the optional set of nodes.
 183
 184         MPOL_BIND:  This mode specifies that memory must come from the
 185         set of nodes specified by the policy.
 186
 187             The memory policy APIs do not specify an order in which the nodes
 188             will be searched.  However, unlike "local allocation", the Bind
 189             policy does not consider the distance between the nodes.  Rather,
 190             allocations will fallback to the nodes specified by the policy in
 191             order of numeric node id.  Like everything in Linux, this is subject
 192             to change.
 193
 194         MPOL_PREFERRED:  This mode specifies that the allocation should be
 195         attempted from the single node specified in the policy.  If that
 196         allocation fails, the kernel will search other nodes, exactly as
 197         it would for a local allocation that started at the preferred node
 198         in increasing distance from the preferred node.  "Local" allocation
 199         policy can be viewed as a Preferred policy that starts at the node
 200         containing the cpu where the allocation takes place.
 201
 202             Internally, the Preferred policy uses a single node--the
 203             preferred_node member of struct mempolicy.  A "distinguished
 204             value of this preferred_node, currently '-1', is interpreted
 205             as "the node containing the cpu where the allocation takes
 206             place"--local allocation.  This is the way to specify
 207             local allocation for a specific range of addresses--i.e. for
 208             VMA policies.
 209
 210         MPOL_INTERLEAVED:  This mode specifies that page allocations be
 211         interleaved, on a page granularity, across the nodes specified in
 212         the policy.  This mode also behaves slightly differently, based on
 213         the context where it is used:
 214
 215             For allocation of anonymous pages and shared memory pages,
 216             Interleave mode indexes the set of nodes specified by the policy
 217             using the page offset of the faulting address into the segment
 218             [VMA] containing the address modulo the number of nodes specified
 219             by the policy.  It then attempts to allocate a page, starting at
 220             the selected node, as if the node had been specified by a Preferred
 221             policy or had been selected by a local allocation.  That is,
 222             allocation will follow the per node zonelist.
 223
 224             For allocation of page cache pages, Interleave mode indexes the set
 225             of nodes specified by the policy using a node counter maintained
 226             per task.  This counter wraps around to the lowest specified node
 227             after it reaches the highest specified node.  This will tend to
 228             spread the pages out over the nodes specified by the policy based
 229             on the order in which they are allocated, rather than based on any
 230             page offset into an address range or file.  During system boot up,
 231             the temporary interleaved system default policy works in this
 232             mode.
 233
 234 MEMORY POLICY APIs
 235
 236 Linux supports 3 system calls for controlling memory policy.  These APIS
 237 always affect only the calling task, the calling task's address space, or
 238 some shared object mapped into the calling task's address space.
 239
 240         Note:  the headers that define these APIs and the parameter data types
 241         for user space applications reside in a package that is not part of
 242         the Linux kernel.  The kernel system call interfaces, with the 'sys_'
 243         prefix, are defined in <linux/syscalls.h>; the mode and flag
 244         definitions are defined in <linux/mempolicy.h>.
 245
 246 Set [Task] Memory Policy:
 247
 248         long set_mempolicy(int mode, const unsigned long *nmask,
 249                                         unsigned long maxnode);
 250
 251         Set's the calling task's "task/process memory policy" to mode
 252         specified by the 'mode' argument and the set of nodes defined
 253         by 'nmask'.  'nmask' points to a bit mask of node ids containing
 254         at least 'maxnode' ids.
 255
 256         See the set_mempolicy(2) man page for more details
 257
 258
 259 Get [Task] Memory Policy or Related Information
 260
 261         long get_mempolicy(int *mode,
 262                            const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
 263                            void *addr, int flags);
 264
 265         Queries the "task/process memory policy" of the calling task, or
 266         the policy or location of a specified virtual address, depending
 267         on the 'flags' argument.
 268
 269         See the get_mempolicy(2) man page for more details
 270
 271
 272 Install VMA/Shared Policy for a Range of Task's Address Space
 273
 274         long mbind(void *start, unsigned long len, int mode,
 275                    const unsigned long *nmask, unsigned long maxnode,
 276                    unsigned flags);
 277
 278         mbind() installs the policy specified by (mode, nmask, maxnodes) as
 279         a VMA policy for the range of the calling task's address space
 280         specified by the 'start' and 'len' arguments.  Additional actions
 281         may be requested via the 'flags' argument.
 282
 283         See the mbind(2) man page for more details.
 284
 285 MEMORY POLICY COMMAND LINE INTERFACE
 286
 287 Although not strictly part of the Linux implementation of memory policy,
 288 a command line tool, numactl(8), exists that allows one to:
 289
 290 + set the task policy for a specified program via set_mempolicy(2), fork(2) and
 291   exec(2)
 292
 293 + set the shared policy for a shared memory segment via mbind(2)
 294
 295 The numactl(8) tool is packages with the run-time version of the library
 296 containing the memory policy system call wrappers.  Some distributions
 297 package the headers and compile-time libraries in a separate development
 298 package.
 299
 300
 301 MEMORY POLICIES AND CPUSETS
 302
 303 Memory policies work within cpusets as described above.  For memory policies
 304 that require a node or set of nodes, the nodes are restricted to the set of
 305 nodes whose memories are allowed by the cpuset constraints.  If the
 306 intersection of the set of nodes specified for the policy and the set of nodes
 307 allowed by the cpuset is the empty set, the policy is considered invalid and
 308 cannot be installed.
 309
 310 The interaction of memory policies and cpusets can be problematic for a
 311 couple of reasons:
 312
 313 1) the memory policy APIs take physical node id's as arguments.  However, the
 314    memory policy APIs do not provide a way to determine what nodes are valid
 315    in the context where the application is running.  An application MAY consult
 316    the cpuset file system [directly or via an out of tree, and not generally
 317    available, libcpuset API] to obtain this information, but then the
 318    application must be aware that it is running in a cpuset and use what are
 319    intended primarily as administrative APIs.
 320
 321    However, as long as the policy specifies at least one node that is valid
 322    in the controlling cpuset, the policy can be used.
 323
 324 2) when tasks in two cpusets share access to a memory region, such as shared
 325    memory segments created by shmget() of mmap() with the MAP_ANONYMOUS and
 326    MAP_SHARED flags, and any of the tasks install shared policy on the region,
 327    only nodes whose memories are allowed in both cpusets may be used in the
 328    policies.  Again, obtaining this information requires "stepping outside"
 329    the memory policy APIs, as well as knowing in what cpusets other task might
 330    be attaching to the shared region, to use the cpuset information.
 331    Furthermore, if the cpusets' allowed memory sets are disjoint, "local"
 332    allocation is the only valid policy.