Documentation/vm/hugetlbpage.txt

   1
   2 The intent of this file is to give a brief summary of hugetlbpage support in
   3 the Linux kernel.  This support is built on top of multiple page size support
   4 that is provided by most modern architectures.  For example, i386
   5 architecture supports 4K and 4M (2M in PAE mode) page sizes, ia64
   6 architecture supports multiple page sizes 4K, 8K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M,
   7 256M and ppc64 supports 4K and 16M.  A TLB is a cache of virtual-to-physical
   8 translations.  Typically this is a very scarce resource on processor.
   9 Operating systems try to make best use of limited number of TLB resources.
  10 This optimization is more critical now as bigger and bigger physical memories
  11 (several GBs) are more readily available.
  12
  13 Users can use the huge page support in Linux kernel by either using the mmap
  14 system call or standard SYSv shared memory system calls (shmget, shmat).
  15
  16 First the Linux kernel needs to be built with the CONFIG_HUGETLBFS
  17 (present under "File systems") and CONFIG_HUGETLB_PAGE (selected
  18 automatically when CONFIG_HUGETLBFS is selected) configuration
  19 options.
  20
  21 The kernel built with hugepage support should show the number of configured
  22 hugepages in the system by running the "cat /proc/meminfo" command.
  23
  24 /proc/meminfo also provides information about the total number of hugetlb
  25 pages configured in the kernel.  It also displays information about the
  26 number of free hugetlb pages at any time.  It also displays information about
  27 the configured hugepage size - this is needed for generating the proper
  28 alignment and size of the arguments to the above system calls.
  29
  30 The output of "cat /proc/meminfo" will have lines like:
  31
  32 .....
  33 HugePages_Total: vvv
  34 HugePages_Free:  www
  35 HugePages_Rsvd:  xxx
  36 HugePages_Surp:  yyy
  37 Hugepagesize:    zzz kB
  38
  39 where:
  40 HugePages_Total is the size of the pool of hugepages.
  41 HugePages_Free is the number of hugepages in the pool that are not yet
  42 allocated.
  43 HugePages_Rsvd is short for "reserved," and is the number of hugepages
  44 for which a commitment to allocate from the pool has been made, but no
  45 allocation has yet been made. It's vaguely analogous to overcommit.
  46 HugePages_Surp is short for "surplus," and is the number of hugepages in
  47 the pool above the value in /proc/sys/vm/nr_hugepages. The maximum
  48 number of surplus hugepages is controlled by
  49 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages.
  50
  51 /proc/filesystems should also show a filesystem of type "hugetlbfs" configured
  52 in the kernel.
  53
  54 /proc/sys/vm/nr_hugepages indicates the current number of configured hugetlb
  55 pages in the kernel.  Super user can dynamically request more (or free some
  56 pre-configured) hugepages.
  57 The allocation (or deallocation) of hugetlb pages is possible only if there are
  58 enough physically contiguous free pages in system (freeing of hugepages is
  59 possible only if there are enough hugetlb pages free that can be transferred
  60 back to regular memory pool).
  61
  62 Pages that are used as hugetlb pages are reserved inside the kernel and cannot
  63 be used for other purposes.
  64
  65 Once the kernel with Hugetlb page support is built and running, a user can
  66 use either the mmap system call or shared memory system calls to start using
  67 the huge pages.  It is required that the system administrator preallocate
  68 enough memory for huge page purposes.
  69
  70 Use the following command to dynamically allocate/deallocate hugepages:
  71
  72         echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
  73
  74 This command will try to configure 20 hugepages in the system.  The success
  75 or failure of allocation depends on the amount of physically contiguous
  76 memory that is preset in system at this time.  System administrators may want
  77 to put this command in one of the local rc init files.  This will enable the
  78 kernel to request huge pages early in the boot process (when the possibility
  79 of getting physical contiguous pages is still very high). In either
  80 case, administrators will want to verify the number of hugepages actually
  81 allocated by checking the sysctl or meminfo.
  82
  83 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages indicates how large the pool of
  84 hugepages can grow, if more hugepages than /proc/sys/vm/nr_hugepages are
  85 requested by applications. echo'ing any non-zero value into this file
  86 indicates that the hugetlb subsystem is allowed to try to obtain
  87 hugepages from the buddy allocator, if the normal pool is exhausted. As
  88 these surplus hugepages go out of use, they are freed back to the buddy
  89 allocator.
  90
  91 Caveat: Shrinking the pool via nr_hugepages such that it becomes less
  92 than the number of hugepages in use will convert the balance to surplus
  93 huge pages even if it would exceed the overcommit value.  As long as
  94 this condition holds, however, no more surplus huge pages will be
  95 allowed on the system until one of the two sysctls are increased
  96 sufficiently, or the surplus huge pages go out of use and are freed.
  97
  98 With support for multiple hugepage pools at run-time available, much of
  99 the hugepage userspace interface has been duplicated in sysfs. The above
 100 information applies to the default hugepage size (which will be
 101 controlled by the proc interfaces for backwards compatibility). The root
 102 hugepage control directory is
 103
 104         /sys/kernel/mm/hugepages
 105
 106 For each hugepage size supported by the running kernel, a subdirectory
 107 will exist, of the form
 108
 109         hugepages-${size}kB
 110
 111 Inside each of these directories, the same set of files will exist:
 112
 113         nr_hugepages
 114         nr_overcommit_hugepages
 115         free_hugepages
 116         resv_hugepages
 117         surplus_hugepages
 118
 119 which function as described above for the default hugepage-sized case.
 120
 121 If the user applications are going to request hugepages using mmap system
 122 call, then it is required that system administrator mount a file system of
 123 type hugetlbfs:
 124
 125   mount -t hugetlbfs \
 126         -o uid=<value>,gid=<value>,mode=<value>,size=<value>,nr_inodes=<value> \
 127         none /mnt/huge
 128
 129 This command mounts a (pseudo) filesystem of type hugetlbfs on the directory
 130 /mnt/huge.  Any files created on /mnt/huge uses hugepages.  The uid and gid
 131 options sets the owner and group of the root of the file system.  By default
 132 the uid and gid of the current process are taken.  The mode option sets the
 133 mode of root of file system to value & 0777.  This value is given in octal.
 134 By default the value 0755 is picked. The size option sets the maximum value of
 135 memory (huge pages) allowed for that filesystem (/mnt/huge). The size is
 136 rounded down to HPAGE_SIZE.  The option nr_inodes sets the maximum number of
 137 inodes that /mnt/huge can use.  If the size or nr_inodes option is not
 138 provided on command line then no limits are set.  For size and nr_inodes
 139 options, you can use [G|g]/[M|m]/[K|k] to represent giga/mega/kilo. For
 140 example, size=2K has the same meaning as size=2048.
 141
 142 While read system calls are supported on files that reside on hugetlb
 143 file systems, write system calls are not.
 144
 145 Regular chown, chgrp, and chmod commands (with right permissions) could be
 146 used to change the file attributes on hugetlbfs.
 147
 148 Also, it is important to note that no such mount command is required if the
 149 applications are going to use only shmat/shmget system calls.  Users who
 150 wish to use hugetlb page via shared memory segment should be a member of
 151 a supplementary group and system admin needs to configure that gid into
 152 /proc/sys/vm/hugetlb_shm_group.  It is possible for same or different
 153 applications to use any combination of mmaps and shm* calls, though the
 154 mount of filesystem will be required for using mmap calls.
 155
 156 *******************************************************************
 157
 158 /*
 159  * Example of using hugepage memory in a user application using Sys V shared
 160  * memory system calls.  In this example the app is requesting 256MB of
 161  * memory that is backed by huge pages.  The application uses the flag
 162  * SHM_HUGETLB in the shmget system call to inform the kernel that it is
 163  * requesting hugepages.
 164  *
 165  * For the ia64 architecture, the Linux kernel reserves Region number 4 for
 166  * hugepages.  That means the addresses starting with 0x800000... will need
 167  * to be specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64,
 168  * i386 or x86_64.
 169  *
 170  * Note: The default shared memory limit is quite low on many kernels,
 171  * you may need to increase it via:
 172  *
 173  * echo 268435456 > /proc/sys/kernel/shmmax
 174  *
 175  * This will increase the maximum size per shared memory segment to 256MB.
 176  * The other limit that you will hit eventually is shmall which is the
 177  * total amount of shared memory in pages. To set it to 16GB on a system
 178  * with a 4kB pagesize do:
 179  *
 180  * echo 4194304 > /proc/sys/kernel/shmall
 181  */
 182 #include <stdlib.h>
 183 #include <stdio.h>
 184 #include <sys/types.h>
 185 #include <sys/ipc.h>
 186 #include <sys/shm.h>
 187 #include <sys/mman.h>
 188
 189 #ifndef SHM_HUGETLB
 190 #define SHM_HUGETLB 04000
 191 #endif
 192
 193 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
 194
 195 #define dprintf(x)  printf(x)
 196
 197 /* Only ia64 requires this */
 198 #ifdef __ia64__
 199 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
 200 #define SHMAT_FLAGS (SHM_RND)
 201 #else
 202 #define ADDR (void *)(0x0UL)
 203 #define SHMAT_FLAGS (0)
 204 #endif
 205
 206 int main(void)
 207 {
 208         int shmid;
 209         unsigned long i;
 210         char *shmaddr;
 211
 212         if ((shmid = shmget(2, LENGTH,
 213                             SHM_HUGETLB | IPC_CREAT | SHM_R | SHM_W)) < 0) {
 214                 perror("shmget");
 215                 exit(1);
 216         }
 217         printf("shmid: 0x%x\n", shmid);
 218
 219         shmaddr = shmat(shmid, ADDR, SHMAT_FLAGS);
 220         if (shmaddr == (char *)-1) {
 221                 perror("Shared memory attach failure");
 222                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
 223                 exit(2);
 224         }
 225         printf("shmaddr: %p\n", shmaddr);
 226
 227         dprintf("Starting the writes:\n");
 228         for (i = 0; i < LENGTH; i++) {
 229                 shmaddr[i] = (char)(i);
 230                 if (!(i % (1024 * 1024)))
 231                         dprintf(".");
 232         }
 233         dprintf("\n");
 234
 235         dprintf("Starting the Check...");
 236         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
 237                 if (shmaddr[i] != (char)i)
 238                         printf("\nIndex %lu mismatched\n", i);
 239         dprintf("Done.\n");
 240
 241         if (shmdt((const void *)shmaddr) != 0) {
 242                 perror("Detach failure");
 243                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
 244                 exit(3);
 245         }
 246
 247         shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
 248
 249         return 0;
 250 }
 251
 252 *******************************************************************
 253
 254 /*
 255  * Example of using hugepage memory in a user application using the mmap
 256  * system call.  Before running this application, make sure that the
 257  * administrator has mounted the hugetlbfs filesystem (on some directory
 258  * like /mnt) using the command mount -t hugetlbfs nodev /mnt. In this
 259  * example, the app is requesting memory of size 256MB that is backed by
 260  * huge pages.
 261  *
 262  * For ia64 architecture, Linux kernel reserves Region number 4 for hugepages.
 263  * That means the addresses starting with 0x800000... will need to be
 264  * specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64, i386
 265  * or x86_64.
 266  */
 267 #include <stdlib.h>
 268 #include <stdio.h>
 269 #include <unistd.h>
 270 #include <sys/mman.h>
 271 #include <fcntl.h>
 272
 273 #define FILE_NAME "/mnt/hugepagefile"
 274 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
 275 #define PROTECTION (PROT_READ | PROT_WRITE)
 276
 277 /* Only ia64 requires this */
 278 #ifdef __ia64__
 279 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
 280 #define FLAGS (MAP_SHARED | MAP_FIXED)
 281 #else
 282 #define ADDR (void *)(0x0UL)
 283 #define FLAGS (MAP_SHARED)
 284 #endif
 285
 286 void check_bytes(char *addr)
 287 {
 288         printf("First hex is %x\n", *((unsigned int *)addr));
 289 }
 290
 291 void write_bytes(char *addr)
 292 {
 293         unsigned long i;
 294
 295         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
 296                 *(addr + i) = (char)i;
 297 }
 298
 299 void read_bytes(char *addr)
 300 {
 301         unsigned long i;
 302
 303         check_bytes(addr);
 304         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
 305                 if (*(addr + i) != (char)i) {
 306                         printf("Mismatch at %lu\n", i);
 307                         break;
 308                 }
 309 }
 310
 311 int main(void)
 312 {
 313         void *addr;
 314         int fd;
 315
 316         fd = open(FILE_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0755);
 317         if (fd < 0) {
 318                 perror("Open failed");
 319                 exit(1);
 320         }
 321
 322         addr = mmap(ADDR, LENGTH, PROTECTION, FLAGS, fd, 0);
 323         if (addr == MAP_FAILED) {
 324                 perror("mmap");
 325                 unlink(FILE_NAME);
 326                 exit(1);
 327         }
 328
 329         printf("Returned address is %p\n", addr);
 330         check_bytes(addr);
 331         write_bytes(addr);
 332         read_bytes(addr);
 333
 334         munmap(addr, LENGTH);
 335         close(fd);
 336         unlink(FILE_NAME);
 337
 338         return 0;
 339 }