sys/vm/vm_pagequeue.h

   1 /*-
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   3  *
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   6  *
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  33  *
  34  *      from: @(#)vm_page.h     8.2 (Berkeley) 12/13/93
  35  *
  36  *
  37  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  38  * All rights reserved.
  39  *
  40  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  41  *
  42  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  43  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  44  * notice and this permission notice appear in all copies of the
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  46  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
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  49  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
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  51  *
  52  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  53  *
  54  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  55  *  School of Computer Science
  56  *  Carnegie Mellon University
  57  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  58  *
  59  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  60  * rights to redistribute these changes.
  61  *
  62  * $FreeBSD$
  63  */
  64
  65 #ifndef _VM_PAGEQUEUE_
  66 #define _VM_PAGEQUEUE_
  67
  68 #ifdef _KERNEL
  69 struct vm_pagequeue {
  70         struct mtx      pq_mutex;
  71         struct pglist   pq_pl;
  72         int             pq_cnt;
  73         const char      * const pq_name;
  74         uint64_t        pq_pdpages;
  75 } __aligned(CACHE_LINE_SIZE);
  76
  77 #if __SIZEOF_LONG__ == 8
  78 #define VM_BATCHQUEUE_SIZE      63
  79 #else
  80 #define VM_BATCHQUEUE_SIZE      15
  81 #endif
  82
  83 struct vm_batchqueue {
  84         vm_page_t       bq_pa[VM_BATCHQUEUE_SIZE];
  85         int             bq_cnt;
  86 } __aligned(CACHE_LINE_SIZE);
  87
  88 #include <vm/uma.h>
  89 #include <sys/_blockcount.h>
  90 #include <sys/pidctrl.h>
  91 struct sysctl_oid;
  92
  93 /*
  94  * One vm_domain per NUMA domain.  Contains pagequeues, free page structures,
  95  * and accounting.
  96  *
  97  * Lock Key:
  98  * f    vmd_free_mtx
  99  * p    vmd_pageout_mtx
 100  * d    vm_domainset_lock
 101  * a    atomic
 102  * c    const after boot
 103  * q    page queue lock
 104  *
 105  * A unique page daemon thread manages each vm_domain structure and is
 106  * responsible for ensuring that some free memory is available by freeing
 107  * inactive pages and aging active pages.  To decide how many pages to process,
 108  * it uses thresholds derived from the number of pages in the domain:
 109  *
 110  *  vmd_page_count
 111  *       ---
 112  *        |
 113  *        |-> vmd_inactive_target (~3%)
 114  *        |   - The active queue scan target is given by
 115  *        |     (vmd_inactive_target + vmd_free_target - vmd_free_count).
 116  *        |
 117  *        |
 118  *        |-> vmd_free_target (~2%)
 119  *        |   - Target for page reclamation.
 120  *        |
 121  *        |-> vmd_pageout_wakeup_thresh (~1.8%)
 122  *        |   - Threshold for waking up the page daemon.
 123  *        |
 124  *        |
 125  *        |-> vmd_free_min (~0.5%)
 126  *        |   - First low memory threshold.
 127  *        |   - Causes per-CPU caching to be lazily disabled in UMA.
 128  *        |   - vm_wait() sleeps below this threshold.
 129  *        |
 130  *        |-> vmd_free_severe (~0.25%)
 131  *        |   - Second low memory threshold.
 132  *        |   - Triggers aggressive UMA reclamation, disables delayed buffer
 133  *        |     writes.
 134  *        |
 135  *        |-> vmd_free_reserved (~0.13%)
 136  *        |   - Minimum for VM_ALLOC_NORMAL page allocations.
 137  *        |-> vmd_pageout_free_min (32 + 2 pages)
 138  *        |   - Minimum for waking a page daemon thread sleeping in vm_wait().
 139  *        |-> vmd_interrupt_free_min (2 pages)
 140  *        |   - Minimum for VM_ALLOC_SYSTEM page allocations.
 141  *       ---
 142  *
 143  *--
 144  * Free page count regulation:
 145  *
 146  * The page daemon attempts to ensure that the free page count is above the free
 147  * target.  It wakes up periodically (every 100ms) to input the current free
 148  * page shortage (free_target - free_count) to a PID controller, which in
 149  * response outputs the number of pages to attempt to reclaim.  The shortage's
 150  * current magnitude, rate of change, and cumulative value are together used to
 151  * determine the controller's output.  The page daemon target thus adapts
 152  * dynamically to the system's demand for free pages, resulting in less
 153  * burstiness than a simple hysteresis loop.
 154  *
 155  * When the free page count drops below the wakeup threshold,
 156  * vm_domain_allocate() proactively wakes up the page daemon.  This helps ensure
 157  * that the system responds promptly to a large instantaneous free page
 158  * shortage.
 159  *
 160  * The page daemon also attempts to ensure that some fraction of the system's
 161  * memory is present in the inactive (I) and laundry (L) page queues, so that it
 162  * can respond promptly to a sudden free page shortage.  In particular, the page
 163  * daemon thread aggressively scans active pages so long as the following
 164  * condition holds:
 165  *
 166  *         len(I) + len(L) + free_target - free_count < inactive_target
 167  *
 168  * Otherwise, when the inactive target is met, the page daemon periodically
 169  * scans a small portion of the active queue in order to maintain up-to-date
 170  * per-page access history.  Unreferenced pages in the active queue thus
 171  * eventually migrate to the inactive queue.
 172  *
 173  * The per-domain laundry thread periodically launders dirty pages based on the
 174  * number of clean pages freed by the page daemon since the last laundering.  If
 175  * the page daemon fails to meet its scan target (i.e., the PID controller
 176  * output) because of a shortage of clean inactive pages, the laundry thread
 177  * attempts to launder enough pages to meet the free page target.
 178  *
 179  *--
 180  * Page allocation priorities:
 181  *
 182  * The system defines three page allocation priorities: VM_ALLOC_NORMAL,
 183  * VM_ALLOC_SYSTEM and VM_ALLOC_INTERRUPT.  An interrupt-priority allocation can
 184  * claim any free page.  This priority is used in the pmap layer when attempting
 185  * to allocate a page for the kernel page tables; in such cases an allocation
 186  * failure will usually result in a kernel panic.  The system priority is used
 187  * for most other kernel memory allocations, for instance by UMA's slab
 188  * allocator or the buffer cache.  Such allocations will fail if the free count
 189  * is below interrupt_free_min.  All other allocations occur at the normal
 190  * priority, which is typically used for allocation of user pages, for instance
 191  * in the page fault handler or when allocating page table pages or pv_entry
 192  * structures for user pmaps.  Such allocations fail if the free count is below
 193  * the free_reserved threshold.
 194  *
 195  *--
 196  * Free memory shortages:
 197  *
 198  * The system uses the free_min and free_severe thresholds to apply
 199  * back-pressure and give the page daemon a chance to recover.  When a page
 200  * allocation fails due to a shortage and the allocating thread cannot handle
 201  * failure, it may call vm_wait() to sleep until free pages are available.
 202  * vm_domain_freecnt_inc() wakes sleeping threads once the free page count rises
 203  * above the free_min threshold; the page daemon and laundry threads are given
 204  * priority and will wake up once free_count reaches the (much smaller)
 205  * pageout_free_min threshold.
 206  *
 207  * On NUMA systems, the domainset iterators always prefer NUMA domains where the
 208  * free page count is above the free_min threshold.  This means that given the
 209  * choice between two NUMA domains, one above the free_min threshold and one
 210  * below, the former will be used to satisfy the allocation request regardless
 211  * of the domain selection policy.
 212  *
 213  * In addition to reclaiming memory from the page queues, the vm_lowmem event
 214  * fires every ten seconds so long as the system is under memory pressure (i.e.,
 215  * vmd_free_count < vmd_free_target).  This allows kernel subsystems to register
 216  * for notifications of free page shortages, upon which they may shrink their
 217  * caches.  Following a vm_lowmem event, UMA's caches are pruned to ensure that
 218  * they do not contain an excess of unused memory.  When a domain is below the
 219  * free_min threshold, UMA limits the population of per-CPU caches.  When a
 220  * domain falls below the free_severe threshold, UMA's caches are completely
 221  * drained.
 222  *
 223  * If the system encounters a global memory shortage, it may resort to the
 224  * out-of-memory (OOM) killer, which selects a process and delivers SIGKILL in a
 225  * last-ditch attempt to free up some pages.  Either of the two following
 226  * conditions will activate the OOM killer:
 227  *
 228  *  1. The page daemons collectively fail to reclaim any pages during their
 229  *     inactive queue scans.  After vm_pageout_oom_seq consecutive scans fail,
 230  *     the page daemon thread votes for an OOM kill, and an OOM kill is
 231  *     triggered when all page daemons have voted.  This heuristic is strict and
 232  *     may fail to trigger even when the system is effectively deadlocked.
 233  *
 234  *  2. Threads in the user fault handler are repeatedly unable to make progress
 235  *     while allocating a page to satisfy the fault.  After
 236  *     vm_pfault_oom_attempts page allocation failures with intervening
 237  *     vm_wait() calls, the faulting thread will trigger an OOM kill.
 238  */
 239 struct vm_domain {
 240         struct vm_pagequeue vmd_pagequeues[PQ_COUNT];
 241         struct mtx_padalign vmd_free_mtx;
 242         struct mtx_padalign vmd_pageout_mtx;
 243         struct vm_pgcache {
 244                 int domain;
 245                 int pool;
 246                 uma_zone_t zone;
 247         } vmd_pgcache[VM_NFREEPOOL];
 248         struct vmem *vmd_kernel_arena;  /* (c) per-domain kva R/W arena. */
 249         struct vmem *vmd_kernel_rwx_arena; /* (c) per-domain kva R/W/X arena. */
 250         u_int vmd_domain;               /* (c) Domain number. */
 251         u_int vmd_page_count;           /* (c) Total page count. */
 252         long vmd_segs;                  /* (c) bitmask of the segments */
 253         u_int __aligned(CACHE_LINE_SIZE) vmd_free_count; /* (a,f) free page count */
 254         u_int vmd_pageout_deficit;      /* (a) Estimated number of pages deficit */
 255         uint8_t vmd_pad[CACHE_LINE_SIZE - (sizeof(u_int) * 2)];
 256
 257         /* Paging control variables, used within single threaded page daemon. */
 258         struct pidctrl vmd_pid;         /* Pageout controller. */
 259         boolean_t vmd_oom;
 260         u_int vmd_inactive_threads;
 261         u_int vmd_inactive_shortage;            /* Per-thread shortage. */
 262         blockcount_t vmd_inactive_running;      /* Number of inactive threads. */
 263         blockcount_t vmd_inactive_starting;     /* Number of threads started. */
 264         volatile u_int vmd_addl_shortage;       /* Shortage accumulator. */
 265         volatile u_int vmd_inactive_freed;      /* Successful inactive frees. */
 266         volatile u_int vmd_inactive_us;         /* Microseconds for above. */
 267         u_int vmd_inactive_pps;         /* Exponential decay frees/second. */
 268         int vmd_oom_seq;
 269         int vmd_last_active_scan;
 270         struct vm_page vmd_markers[PQ_COUNT]; /* (q) markers for queue scans */
 271         struct vm_page vmd_inacthead; /* marker for LRU-defeating insertions */
 272         struct vm_page vmd_clock[2]; /* markers for active queue scan */
 273
 274         int vmd_pageout_wanted;         /* (a, p) pageout daemon wait channel */
 275         int vmd_pageout_pages_needed;   /* (d) page daemon waiting for pages? */
 276         bool vmd_minset;                /* (d) Are we in vm_min_domains? */
 277         bool vmd_severeset;             /* (d) Are we in vm_severe_domains? */
 278         enum {
 279                 VM_LAUNDRY_IDLE = 0,
 280                 VM_LAUNDRY_BACKGROUND,
 281                 VM_LAUNDRY_SHORTFALL
 282         } vmd_laundry_request;
 283
 284         /* Paging thresholds and targets. */
 285         u_int vmd_clean_pages_freed;    /* (q) accumulator for laundry thread */
 286         u_int vmd_background_launder_target; /* (c) */
 287         u_int vmd_free_reserved;        /* (c) pages reserved for deadlock */
 288         u_int vmd_free_target;          /* (c) pages desired free */
 289         u_int vmd_free_min;             /* (c) pages desired free */
 290         u_int vmd_inactive_target;      /* (c) pages desired inactive */
 291         u_int vmd_pageout_free_min;     /* (c) min pages reserved for kernel */
 292         u_int vmd_pageout_wakeup_thresh;/* (c) min pages to wake pagedaemon */
 293         u_int vmd_interrupt_free_min;   /* (c) reserved pages for int code */
 294         u_int vmd_free_severe;          /* (c) severe page depletion point */
 295
 296         /* Name for sysctl etc. */
 297         struct sysctl_oid *vmd_oid;
 298         char vmd_name[sizeof(__XSTRING(MAXMEMDOM))];
 299 } __aligned(CACHE_LINE_SIZE);
 300
 301 extern struct vm_domain vm_dom[MAXMEMDOM];
 302
 303 #define VM_DOMAIN(n)            (&vm_dom[(n)])
 304 #define VM_DOMAIN_EMPTY(n)      (vm_dom[(n)].vmd_page_count == 0)
 305
 306 #define vm_pagequeue_assert_locked(pq)  mtx_assert(&(pq)->pq_mutex, MA_OWNED)
 307 #define vm_pagequeue_lock(pq)           mtx_lock(&(pq)->pq_mutex)
 308 #define vm_pagequeue_lockptr(pq)        (&(pq)->pq_mutex)
 309 #define vm_pagequeue_trylock(pq)        mtx_trylock(&(pq)->pq_mutex)
 310 #define vm_pagequeue_unlock(pq)         mtx_unlock(&(pq)->pq_mutex)
 311
 312 #define vm_domain_free_assert_locked(n)                                 \
 313             mtx_assert(vm_domain_free_lockptr((n)), MA_OWNED)
 314 #define vm_domain_free_assert_unlocked(n)                               \
 315             mtx_assert(vm_domain_free_lockptr((n)), MA_NOTOWNED)
 316 #define vm_domain_free_lock(d)                                          \
 317             mtx_lock(vm_domain_free_lockptr((d)))
 318 #define vm_domain_free_lockptr(d)                                       \
 319             (&(d)->vmd_free_mtx)
 320 #define vm_domain_free_trylock(d)                                       \
 321             mtx_trylock(vm_domain_free_lockptr((d)))
 322 #define vm_domain_free_unlock(d)                                        \
 323             mtx_unlock(vm_domain_free_lockptr((d)))
 324
 325 #define vm_domain_pageout_lockptr(d)                                    \
 326             (&(d)->vmd_pageout_mtx)
 327 #define vm_domain_pageout_assert_locked(n)                              \
 328             mtx_assert(vm_domain_pageout_lockptr((n)), MA_OWNED)
 329 #define vm_domain_pageout_assert_unlocked(n)                            \
 330             mtx_assert(vm_domain_pageout_lockptr((n)), MA_NOTOWNED)
 331 #define vm_domain_pageout_lock(d)                                       \
 332             mtx_lock(vm_domain_pageout_lockptr((d)))
 333 #define vm_domain_pageout_unlock(d)                                     \
 334             mtx_unlock(vm_domain_pageout_lockptr((d)))
 335
 336 static __inline void
 337 vm_pagequeue_cnt_add(struct vm_pagequeue *pq, int addend)
 338 {
 339
 340         vm_pagequeue_assert_locked(pq);
 341         pq->pq_cnt += addend;
 342 }
 343 #define vm_pagequeue_cnt_inc(pq)        vm_pagequeue_cnt_add((pq), 1)
 344 #define vm_pagequeue_cnt_dec(pq)        vm_pagequeue_cnt_add((pq), -1)
 345
 346 static inline void
 347 vm_pagequeue_remove(struct vm_pagequeue *pq, vm_page_t m)
 348 {
 349
 350         TAILQ_REMOVE(&pq->pq_pl, m, plinks.q);
 351         vm_pagequeue_cnt_dec(pq);
 352 }
 353
 354 static inline void
 355 vm_batchqueue_init(struct vm_batchqueue *bq)
 356 {
 357
 358         bq->bq_cnt = 0;
 359 }
 360
 361 static inline int
 362 vm_batchqueue_insert(struct vm_batchqueue *bq, vm_page_t m)
 363 {
 364         int slots_free;
 365
 366         slots_free = nitems(bq->bq_pa) - bq->bq_cnt;
 367         if (slots_free > 0) {
 368                 bq->bq_pa[bq->bq_cnt++] = m;
 369                 return (slots_free);
 370         }
 371         return (slots_free);
 372 }
 373
 374 static inline vm_page_t
 375 vm_batchqueue_pop(struct vm_batchqueue *bq)
 376 {
 377
 378         if (bq->bq_cnt == 0)
 379                 return (NULL);
 380         return (bq->bq_pa[--bq->bq_cnt]);
 381 }
 382
 383 void vm_domain_set(struct vm_domain *vmd);
 384 void vm_domain_clear(struct vm_domain *vmd);
 385 int vm_domain_allocate(struct vm_domain *vmd, int req, int npages);
 386
 387 /*
 388  *      vm_pagequeue_domain:
 389  *
 390  *      Return the memory domain the page belongs to.
 391  */
 392 static inline struct vm_domain *
 393 vm_pagequeue_domain(vm_page_t m)
 394 {
 395
 396         return (VM_DOMAIN(vm_page_domain(m)));
 397 }
 398
 399 /*
 400  * Return the number of pages we need to free-up or cache
 401  * A positive number indicates that we do not have enough free pages.
 402  */
 403 static inline int
 404 vm_paging_target(struct vm_domain *vmd)
 405 {
 406
 407         return (vmd->vmd_free_target - vmd->vmd_free_count);
 408 }
 409
 410 /*
 411  * Returns TRUE if the pagedaemon needs to be woken up.
 412  */
 413 static inline int
 414 vm_paging_needed(struct vm_domain *vmd, u_int free_count)
 415 {
 416
 417         return (free_count < vmd->vmd_pageout_wakeup_thresh);
 418 }
 419
 420 /*
 421  * Returns TRUE if the domain is below the min paging target.
 422  */
 423 static inline int
 424 vm_paging_min(struct vm_domain *vmd)
 425 {
 426
 427         return (vmd->vmd_free_min > vmd->vmd_free_count);
 428 }
 429
 430 /*
 431  * Returns TRUE if the domain is below the severe paging target.
 432  */
 433 static inline int
 434 vm_paging_severe(struct vm_domain *vmd)
 435 {
 436
 437         return (vmd->vmd_free_severe > vmd->vmd_free_count);
 438 }
 439
 440 /*
 441  * Return the number of pages we need to launder.
 442  * A positive number indicates that we have a shortfall of clean pages.
 443  */
 444 static inline int
 445 vm_laundry_target(struct vm_domain *vmd)
 446 {
 447
 448         return (vm_paging_target(vmd));
 449 }
 450
 451 void pagedaemon_wakeup(int domain);
 452
 453 static inline void
 454 vm_domain_freecnt_inc(struct vm_domain *vmd, int adj)
 455 {
 456         u_int old, new;
 457
 458         old = atomic_fetchadd_int(&vmd->vmd_free_count, adj);
 459         new = old + adj;
 460         /*
 461          * Only update bitsets on transitions.  Notice we short-circuit the
 462          * rest of the checks if we're above min already.
 463          */
 464         if (old < vmd->vmd_free_min && (new >= vmd->vmd_free_min ||
 465             (old < vmd->vmd_free_severe && new >= vmd->vmd_free_severe) ||
 466             (old < vmd->vmd_pageout_free_min &&
 467             new >= vmd->vmd_pageout_free_min)))
 468                 vm_domain_clear(vmd);
 469 }
 470
 471 #endif  /* _KERNEL */
 472 #endif                          /* !_VM_PAGEQUEUE_ */