]> git.karo-electronics.de Git - karo-tx-linux.git/blob - mm/workingset.c
mm: workingset: eviction buckets for bigmem/lowbit machines
[karo-tx-linux.git] / mm / workingset.c
1 /*
2  * Workingset detection
3  *
4  * Copyright (C) 2013 Red Hat, Inc., Johannes Weiner
5  */
6
7 #include <linux/memcontrol.h>
8 #include <linux/writeback.h>
9 #include <linux/pagemap.h>
10 #include <linux/atomic.h>
11 #include <linux/module.h>
12 #include <linux/swap.h>
13 #include <linux/fs.h>
14 #include <linux/mm.h>
15
16 /*
17  *              Double CLOCK lists
18  *
19  * Per zone, two clock lists are maintained for file pages: the
20  * inactive and the active list.  Freshly faulted pages start out at
21  * the head of the inactive list and page reclaim scans pages from the
22  * tail.  Pages that are accessed multiple times on the inactive list
23  * are promoted to the active list, to protect them from reclaim,
24  * whereas active pages are demoted to the inactive list when the
25  * active list grows too big.
26  *
27  *   fault ------------------------+
28  *                                 |
29  *              +--------------+   |            +-------------+
30  *   reclaim <- |   inactive   | <-+-- demotion |    active   | <--+
31  *              +--------------+                +-------------+    |
32  *                     |                                           |
33  *                     +-------------- promotion ------------------+
34  *
35  *
36  *              Access frequency and refault distance
37  *
38  * A workload is thrashing when its pages are frequently used but they
39  * are evicted from the inactive list every time before another access
40  * would have promoted them to the active list.
41  *
42  * In cases where the average access distance between thrashing pages
43  * is bigger than the size of memory there is nothing that can be
44  * done - the thrashing set could never fit into memory under any
45  * circumstance.
46  *
47  * However, the average access distance could be bigger than the
48  * inactive list, yet smaller than the size of memory.  In this case,
49  * the set could fit into memory if it weren't for the currently
50  * active pages - which may be used more, hopefully less frequently:
51  *
52  *      +-memory available to cache-+
53  *      |                           |
54  *      +-inactive------+-active----+
55  *  a b | c d e f g h i | J K L M N |
56  *      +---------------+-----------+
57  *
58  * It is prohibitively expensive to accurately track access frequency
59  * of pages.  But a reasonable approximation can be made to measure
60  * thrashing on the inactive list, after which refaulting pages can be
61  * activated optimistically to compete with the existing active pages.
62  *
63  * Approximating inactive page access frequency - Observations:
64  *
65  * 1. When a page is accessed for the first time, it is added to the
66  *    head of the inactive list, slides every existing inactive page
67  *    towards the tail by one slot, and pushes the current tail page
68  *    out of memory.
69  *
70  * 2. When a page is accessed for the second time, it is promoted to
71  *    the active list, shrinking the inactive list by one slot.  This
72  *    also slides all inactive pages that were faulted into the cache
73  *    more recently than the activated page towards the tail of the
74  *    inactive list.
75  *
76  * Thus:
77  *
78  * 1. The sum of evictions and activations between any two points in
79  *    time indicate the minimum number of inactive pages accessed in
80  *    between.
81  *
82  * 2. Moving one inactive page N page slots towards the tail of the
83  *    list requires at least N inactive page accesses.
84  *
85  * Combining these:
86  *
87  * 1. When a page is finally evicted from memory, the number of
88  *    inactive pages accessed while the page was in cache is at least
89  *    the number of page slots on the inactive list.
90  *
91  * 2. In addition, measuring the sum of evictions and activations (E)
92  *    at the time of a page's eviction, and comparing it to another
93  *    reading (R) at the time the page faults back into memory tells
94  *    the minimum number of accesses while the page was not cached.
95  *    This is called the refault distance.
96  *
97  * Because the first access of the page was the fault and the second
98  * access the refault, we combine the in-cache distance with the
99  * out-of-cache distance to get the complete minimum access distance
100  * of this page:
101  *
102  *      NR_inactive + (R - E)
103  *
104  * And knowing the minimum access distance of a page, we can easily
105  * tell if the page would be able to stay in cache assuming all page
106  * slots in the cache were available:
107  *
108  *   NR_inactive + (R - E) <= NR_inactive + NR_active
109  *
110  * which can be further simplified to
111  *
112  *   (R - E) <= NR_active
113  *
114  * Put into words, the refault distance (out-of-cache) can be seen as
115  * a deficit in inactive list space (in-cache).  If the inactive list
116  * had (R - E) more page slots, the page would not have been evicted
117  * in between accesses, but activated instead.  And on a full system,
118  * the only thing eating into inactive list space is active pages.
119  *
120  *
121  *              Activating refaulting pages
122  *
123  * All that is known about the active list is that the pages have been
124  * accessed more than once in the past.  This means that at any given
125  * time there is actually a good chance that pages on the active list
126  * are no longer in active use.
127  *
128  * So when a refault distance of (R - E) is observed and there are at
129  * least (R - E) active pages, the refaulting page is activated
130  * optimistically in the hope that (R - E) active pages are actually
131  * used less frequently than the refaulting page - or even not used at
132  * all anymore.
133  *
134  * If this is wrong and demotion kicks in, the pages which are truly
135  * used more frequently will be reactivated while the less frequently
136  * used once will be evicted from memory.
137  *
138  * But if this is right, the stale pages will be pushed out of memory
139  * and the used pages get to stay in cache.
140  *
141  *
142  *              Implementation
143  *
144  * For each zone's file LRU lists, a counter for inactive evictions
145  * and activations is maintained (zone->inactive_age).
146  *
147  * On eviction, a snapshot of this counter (along with some bits to
148  * identify the zone) is stored in the now empty page cache radix tree
149  * slot of the evicted page.  This is called a shadow entry.
150  *
151  * On cache misses for which there are shadow entries, an eligible
152  * refault distance will immediately activate the refaulting page.
153  */
154
155 #define EVICTION_SHIFT  (RADIX_TREE_EXCEPTIONAL_ENTRY + \
156                          ZONES_SHIFT + NODES_SHIFT)
157 #define EVICTION_MASK   (~0UL >> EVICTION_SHIFT)
158
159 /*
160  * Eviction timestamps need to be able to cover the full range of
161  * actionable refaults. However, bits are tight in the radix tree
162  * entry, and after storing the identifier for the lruvec there might
163  * not be enough left to represent every single actionable refault. In
164  * that case, we have to sacrifice granularity for distance, and group
165  * evictions into coarser buckets by shaving off lower timestamp bits.
166  */
167 static unsigned int bucket_order __read_mostly;
168
169 static void *pack_shadow(unsigned long eviction, struct zone *zone)
170 {
171         eviction >>= bucket_order;
172         eviction = (eviction << NODES_SHIFT) | zone_to_nid(zone);
173         eviction = (eviction << ZONES_SHIFT) | zone_idx(zone);
174         eviction = (eviction << RADIX_TREE_EXCEPTIONAL_SHIFT);
175
176         return (void *)(eviction | RADIX_TREE_EXCEPTIONAL_ENTRY);
177 }
178
179 static void unpack_shadow(void *shadow, struct zone **zonep,
180                           unsigned long *evictionp)
181 {
182         unsigned long entry = (unsigned long)shadow;
183         int zid, nid;
184
185         entry >>= RADIX_TREE_EXCEPTIONAL_SHIFT;
186         zid = entry & ((1UL << ZONES_SHIFT) - 1);
187         entry >>= ZONES_SHIFT;
188         nid = entry & ((1UL << NODES_SHIFT) - 1);
189         entry >>= NODES_SHIFT;
190
191         *zonep = NODE_DATA(nid)->node_zones + zid;
192         *evictionp = entry << bucket_order;
193 }
194
195 /**
196  * workingset_eviction - note the eviction of a page from memory
197  * @mapping: address space the page was backing
198  * @page: the page being evicted
199  *
200  * Returns a shadow entry to be stored in @mapping->page_tree in place
201  * of the evicted @page so that a later refault can be detected.
202  */
203 void *workingset_eviction(struct address_space *mapping, struct page *page)
204 {
205         struct zone *zone = page_zone(page);
206         unsigned long eviction;
207
208         eviction = atomic_long_inc_return(&zone->inactive_age);
209         return pack_shadow(eviction, zone);
210 }
211
212 /**
213  * workingset_refault - evaluate the refault of a previously evicted page
214  * @shadow: shadow entry of the evicted page
215  *
216  * Calculates and evaluates the refault distance of the previously
217  * evicted page in the context of the zone it was allocated in.
218  *
219  * Returns %true if the page should be activated, %false otherwise.
220  */
221 bool workingset_refault(void *shadow)
222 {
223         unsigned long refault_distance;
224         unsigned long eviction;
225         unsigned long refault;
226         struct zone *zone;
227
228         unpack_shadow(shadow, &zone, &eviction);
229
230         refault = atomic_long_read(&zone->inactive_age);
231
232         /*
233          * The unsigned subtraction here gives an accurate distance
234          * across inactive_age overflows in most cases.
235          *
236          * There is a special case: usually, shadow entries have a
237          * short lifetime and are either refaulted or reclaimed along
238          * with the inode before they get too old.  But it is not
239          * impossible for the inactive_age to lap a shadow entry in
240          * the field, which can then can result in a false small
241          * refault distance, leading to a false activation should this
242          * old entry actually refault again.  However, earlier kernels
243          * used to deactivate unconditionally with *every* reclaim
244          * invocation for the longest time, so the occasional
245          * inappropriate activation leading to pressure on the active
246          * list is not a problem.
247          */
248         refault_distance = (refault - eviction) & EVICTION_MASK;
249
250         inc_zone_state(zone, WORKINGSET_REFAULT);
251
252         if (refault_distance <= zone_page_state(zone, NR_ACTIVE_FILE)) {
253                 inc_zone_state(zone, WORKINGSET_ACTIVATE);
254                 return true;
255         }
256         return false;
257 }
258
259 /**
260  * workingset_activation - note a page activation
261  * @page: page that is being activated
262  */
263 void workingset_activation(struct page *page)
264 {
265         atomic_long_inc(&page_zone(page)->inactive_age);
266 }
267
268 /*
269  * Shadow entries reflect the share of the working set that does not
270  * fit into memory, so their number depends on the access pattern of
271  * the workload.  In most cases, they will refault or get reclaimed
272  * along with the inode, but a (malicious) workload that streams
273  * through files with a total size several times that of available
274  * memory, while preventing the inodes from being reclaimed, can
275  * create excessive amounts of shadow nodes.  To keep a lid on this,
276  * track shadow nodes and reclaim them when they grow way past the
277  * point where they would still be useful.
278  */
279
280 struct list_lru workingset_shadow_nodes;
281
282 static unsigned long count_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
283                                         struct shrink_control *sc)
284 {
285         unsigned long shadow_nodes;
286         unsigned long max_nodes;
287         unsigned long pages;
288
289         /* list_lru lock nests inside IRQ-safe mapping->tree_lock */
290         local_irq_disable();
291         shadow_nodes = list_lru_shrink_count(&workingset_shadow_nodes, sc);
292         local_irq_enable();
293
294         pages = node_present_pages(sc->nid);
295         /*
296          * Active cache pages are limited to 50% of memory, and shadow
297          * entries that represent a refault distance bigger than that
298          * do not have any effect.  Limit the number of shadow nodes
299          * such that shadow entries do not exceed the number of active
300          * cache pages, assuming a worst-case node population density
301          * of 1/8th on average.
302          *
303          * On 64-bit with 7 radix_tree_nodes per page and 64 slots
304          * each, this will reclaim shadow entries when they consume
305          * ~2% of available memory:
306          *
307          * PAGE_SIZE / radix_tree_nodes / node_entries / PAGE_SIZE
308          */
309         max_nodes = pages >> (1 + RADIX_TREE_MAP_SHIFT - 3);
310
311         if (shadow_nodes <= max_nodes)
312                 return 0;
313
314         return shadow_nodes - max_nodes;
315 }
316
317 static enum lru_status shadow_lru_isolate(struct list_head *item,
318                                           struct list_lru_one *lru,
319                                           spinlock_t *lru_lock,
320                                           void *arg)
321 {
322         struct address_space *mapping;
323         struct radix_tree_node *node;
324         unsigned int i;
325         int ret;
326
327         /*
328          * Page cache insertions and deletions synchroneously maintain
329          * the shadow node LRU under the mapping->tree_lock and the
330          * lru_lock.  Because the page cache tree is emptied before
331          * the inode can be destroyed, holding the lru_lock pins any
332          * address_space that has radix tree nodes on the LRU.
333          *
334          * We can then safely transition to the mapping->tree_lock to
335          * pin only the address_space of the particular node we want
336          * to reclaim, take the node off-LRU, and drop the lru_lock.
337          */
338
339         node = container_of(item, struct radix_tree_node, private_list);
340         mapping = node->private_data;
341
342         /* Coming from the list, invert the lock order */
343         if (!spin_trylock(&mapping->tree_lock)) {
344                 spin_unlock(lru_lock);
345                 ret = LRU_RETRY;
346                 goto out;
347         }
348
349         list_lru_isolate(lru, item);
350         spin_unlock(lru_lock);
351
352         /*
353          * The nodes should only contain one or more shadow entries,
354          * no pages, so we expect to be able to remove them all and
355          * delete and free the empty node afterwards.
356          */
357
358         BUG_ON(!node->count);
359         BUG_ON(node->count & RADIX_TREE_COUNT_MASK);
360
361         for (i = 0; i < RADIX_TREE_MAP_SIZE; i++) {
362                 if (node->slots[i]) {
363                         BUG_ON(!radix_tree_exceptional_entry(node->slots[i]));
364                         node->slots[i] = NULL;
365                         BUG_ON(node->count < (1U << RADIX_TREE_COUNT_SHIFT));
366                         node->count -= 1U << RADIX_TREE_COUNT_SHIFT;
367                         BUG_ON(!mapping->nrexceptional);
368                         mapping->nrexceptional--;
369                 }
370         }
371         BUG_ON(node->count);
372         inc_zone_state(page_zone(virt_to_page(node)), WORKINGSET_NODERECLAIM);
373         if (!__radix_tree_delete_node(&mapping->page_tree, node))
374                 BUG();
375
376         spin_unlock(&mapping->tree_lock);
377         ret = LRU_REMOVED_RETRY;
378 out:
379         local_irq_enable();
380         cond_resched();
381         local_irq_disable();
382         spin_lock(lru_lock);
383         return ret;
384 }
385
386 static unsigned long scan_shadow_nodes(struct shrinker *shrinker,
387                                        struct shrink_control *sc)
388 {
389         unsigned long ret;
390
391         /* list_lru lock nests inside IRQ-safe mapping->tree_lock */
392         local_irq_disable();
393         ret =  list_lru_shrink_walk(&workingset_shadow_nodes, sc,
394                                     shadow_lru_isolate, NULL);
395         local_irq_enable();
396         return ret;
397 }
398
399 static struct shrinker workingset_shadow_shrinker = {
400         .count_objects = count_shadow_nodes,
401         .scan_objects = scan_shadow_nodes,
402         .seeks = DEFAULT_SEEKS,
403         .flags = SHRINKER_NUMA_AWARE,
404 };
405
406 /*
407  * Our list_lru->lock is IRQ-safe as it nests inside the IRQ-safe
408  * mapping->tree_lock.
409  */
410 static struct lock_class_key shadow_nodes_key;
411
412 static int __init workingset_init(void)
413 {
414         unsigned int timestamp_bits;
415         unsigned int max_order;
416         int ret;
417
418         BUILD_BUG_ON(BITS_PER_LONG < EVICTION_SHIFT);
419         /*
420          * Calculate the eviction bucket size to cover the longest
421          * actionable refault distance, which is currently half of
422          * memory (totalram_pages/2). However, memory hotplug may add
423          * some more pages at runtime, so keep working with up to
424          * double the initial memory by using totalram_pages as-is.
425          */
426         timestamp_bits = BITS_PER_LONG - EVICTION_SHIFT;
427         max_order = fls_long(totalram_pages - 1);
428         if (max_order > timestamp_bits)
429                 bucket_order = max_order - timestamp_bits;
430         printk("workingset: timestamp_bits=%d max_order=%d bucket_order=%u\n",
431                timestamp_bits, max_order, bucket_order);
432
433         ret = list_lru_init_key(&workingset_shadow_nodes, &shadow_nodes_key);
434         if (ret)
435                 goto err;
436         ret = register_shrinker(&workingset_shadow_shrinker);
437         if (ret)
438                 goto err_list_lru;
439         return 0;
440 err_list_lru:
441         list_lru_destroy(&workingset_shadow_nodes);
442 err:
443         return ret;
444 }
445 module_init(workingset_init);