KVM: Use interval tree to do fast hva lookup in memslots
authorMaciej S. Szmigiero <maciej.szmigiero@oracle.com>
Mon, 6 Dec 2021 19:54:28 +0000 (20:54 +0100)
committerPaolo Bonzini <pbonzini@redhat.com>
Wed, 8 Dec 2021 09:24:32 +0000 (04:24 -0500)
The current memslots implementation only allows quick binary search by gfn,
quick lookup by hva is not possible - the implementation has to do a linear
scan of the whole memslots array, even though the operation being performed
might apply just to a single memslot.

This significantly hurts performance of per-hva operations with higher
memslot counts.

Since hva ranges can overlap between memslots an interval tree is needed
for tracking them.

[sean: handle interval tree updates in kvm_replace_memslot()]
Signed-off-by: Maciej S. Szmigiero <maciej.szmigiero@oracle.com>
Message-Id: <d66b9974becaa9839be9c4e1a5de97b177b4ac20.1638817640.git.maciej.szmigiero@oracle.com>

arch/arm64/kvm/Kconfig
arch/mips/kvm/Kconfig
arch/powerpc/kvm/Kconfig
arch/s390/kvm/Kconfig
arch/x86/kvm/Kconfig
include/linux/kvm_host.h
virt/kvm/kvm_main.c

index 8ffcbe2..f1f8fc0 100644 (file)
@@ -39,6 +39,7 @@ menuconfig KVM
        select HAVE_KVM_IRQ_BYPASS
        select HAVE_KVM_VCPU_RUN_PID_CHANGE
        select SCHED_INFO
+       select INTERVAL_TREE
        help
          Support hosting virtualized guest machines.
 
index a772974..91d197b 100644 (file)
@@ -27,6 +27,7 @@ config KVM
        select KVM_MMIO
        select MMU_NOTIFIER
        select SRCU
+       select INTERVAL_TREE
        help
          Support for hosting Guest kernels.
 
index ff581d7..e4c24f5 100644 (file)
@@ -26,6 +26,7 @@ config KVM
        select KVM_VFIO
        select IRQ_BYPASS_MANAGER
        select HAVE_KVM_IRQ_BYPASS
+       select INTERVAL_TREE
 
 config KVM_BOOK3S_HANDLER
        bool
index 67a8e77..2e84d39 100644 (file)
@@ -33,6 +33,7 @@ config KVM
        select HAVE_KVM_NO_POLL
        select SRCU
        select KVM_VFIO
+       select INTERVAL_TREE
        help
          Support hosting paravirtualized guest machines using the SIE
          virtualization capability on the mainframe. This should work
index 6191861..7618bef 100644 (file)
@@ -43,6 +43,7 @@ config KVM
        select KVM_GENERIC_DIRTYLOG_READ_PROTECT
        select KVM_VFIO
        select SRCU
+       select INTERVAL_TREE
        select HAVE_KVM_PM_NOTIFIER if PM
        help
          Support hosting fully virtualized guest machines using hardware
index 79db70a..9552ad6 100644 (file)
@@ -30,6 +30,7 @@
 #include <linux/nospec.h>
 #include <linux/notifier.h>
 #include <linux/hashtable.h>
+#include <linux/interval_tree.h>
 #include <linux/xarray.h>
 #include <asm/signal.h>
 
@@ -428,6 +429,7 @@ static inline int kvm_vcpu_exiting_guest_mode(struct kvm_vcpu *vcpu)
 
 struct kvm_memory_slot {
        struct hlist_node id_node;
+       struct interval_tree_node hva_node;
        gfn_t base_gfn;
        unsigned long npages;
        unsigned long *dirty_bitmap;
@@ -529,6 +531,7 @@ static inline int kvm_arch_vcpu_memslots_id(struct kvm_vcpu *vcpu)
  */
 struct kvm_memslots {
        u64 generation;
+       struct rb_root_cached hva_tree;
        /*
         * The mapping table from slot id to the index in memslots[].
         *
index dbff2ac..6ba7468 100644 (file)
@@ -512,6 +512,12 @@ static void kvm_null_fn(void)
 }
 #define IS_KVM_NULL_FN(fn) ((fn) == (void *)kvm_null_fn)
 
+/* Iterate over each memslot intersecting [start, last] (inclusive) range */
+#define kvm_for_each_memslot_in_hva_range(node, slots, start, last)         \
+       for (node = interval_tree_iter_first(&slots->hva_tree, start, last); \
+            node;                                                           \
+            node = interval_tree_iter_next(node, start, last))      \
+
 static __always_inline int __kvm_handle_hva_range(struct kvm *kvm,
                                                  const struct kvm_hva_range *range)
 {
@@ -521,6 +527,9 @@ static __always_inline int __kvm_handle_hva_range(struct kvm *kvm,
        struct kvm_memslots *slots;
        int i, idx;
 
+       if (WARN_ON_ONCE(range->end <= range->start))
+               return 0;
+
        /* A null handler is allowed if and only if on_lock() is provided. */
        if (WARN_ON_ONCE(IS_KVM_NULL_FN(range->on_lock) &&
                         IS_KVM_NULL_FN(range->handler)))
@@ -529,15 +538,17 @@ static __always_inline int __kvm_handle_hva_range(struct kvm *kvm,
        idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);
 
        for (i = 0; i < KVM_ADDRESS_SPACE_NUM; i++) {
+               struct interval_tree_node *node;
+
                slots = __kvm_memslots(kvm, i);
-               kvm_for_each_memslot(slot, slots) {
+               kvm_for_each_memslot_in_hva_range(node, slots,
+                                                 range->start, range->end - 1) {
                        unsigned long hva_start, hva_end;
 
+                       slot = container_of(node, struct kvm_memory_slot, hva_node);
                        hva_start = max(range->start, slot->userspace_addr);
                        hva_end = min(range->end, slot->userspace_addr +
                                                  (slot->npages << PAGE_SHIFT));
-                       if (hva_start >= hva_end)
-                               continue;
 
                        /*
                         * To optimize for the likely case where the address
@@ -873,6 +884,7 @@ static struct kvm_memslots *kvm_alloc_memslots(void)
        if (!slots)
                return NULL;
 
+       slots->hva_tree = RB_ROOT_CACHED;
        hash_init(slots->id_hash);
 
        return slots;
@@ -1277,21 +1289,28 @@ static void kvm_replace_memslot(struct kvm_memslots *slots,
                                struct kvm_memory_slot *new)
 {
        /*
-        * Remove the old memslot from the hash list, copying the node data
-        * would corrupt the list.
+        * Remove the old memslot from the hash list and interval tree, copying
+        * the node data would corrupt the structures.
         */
        if (old) {
                hash_del(&old->id_node);
+               interval_tree_remove(&old->hva_node, &slots->hva_tree);
 
                if (!new)
                        return;
 
                /* Copy the source *data*, not the pointer, to the destination. */
                *new = *old;
+       } else {
+               /* If @old is NULL, initialize @new's hva range. */
+               new->hva_node.start = new->userspace_addr;
+               new->hva_node.last = new->userspace_addr +
+                       (new->npages << PAGE_SHIFT) - 1;
        }
 
        /* (Re)Add the new memslot. */
        hash_add(slots->id_hash, &new->id_node, new->id);
+       interval_tree_insert(&new->hva_node, &slots->hva_tree);
 }
 
 static void kvm_shift_memslot(struct kvm_memslots *slots, int dst, int src)
@@ -1322,7 +1341,7 @@ static inline void kvm_memslot_delete(struct kvm_memslots *slots,
                atomic_set(&slots->last_used_slot, 0);
 
        /*
-        * Remove the to-be-deleted memslot from the list _before_ shifting
+        * Remove the to-be-deleted memslot from the list/tree _before_ shifting
         * the trailing memslots forward, its data will be overwritten.
         * Defer the (somewhat pointless) copying of the memslot until after
         * the last slot has been shifted to avoid overwriting said last slot.
@@ -1349,7 +1368,8 @@ static inline int kvm_memslot_insert_back(struct kvm_memslots *slots)
  * itself is not preserved in the array, i.e. not swapped at this time, only
  * its new index into the array is tracked.  Returns the changed memslot's
  * current index into the memslots array.
- * The memslot at the returned index will not be in @slots->id_hash by then.
+ * The memslot at the returned index will not be in @slots->hva_tree or
+ * @slots->id_hash by then.
  * @memslot is a detached struct with desired final data of the changed slot.
  */
 static inline int kvm_memslot_move_backward(struct kvm_memslots *slots,
@@ -1363,10 +1383,10 @@ static inline int kvm_memslot_move_backward(struct kvm_memslots *slots,
                return -1;
 
        /*
-        * Delete the slot from the hash table before sorting the remaining
-        * slots, the slot's data may be overwritten when copying slots as part
-        * of the sorting proccess.  update_memslots() will unconditionally
-        * rewrite the entire slot and re-add it to the hash table.
+        * Delete the slot from the hash table and interval tree before sorting
+        * the remaining slots, the slot's data may be overwritten when copying
+        * slots as part of the sorting proccess.  update_memslots() will
+        * unconditionally rewrite and re-add the entire slot.
         */
        kvm_replace_memslot(slots, oldslot, NULL);
 
@@ -1392,10 +1412,12 @@ static inline int kvm_memslot_move_backward(struct kvm_memslots *slots,
  * is not preserved in the array, i.e. not swapped at this time, only its new
  * index into the array is tracked.  Returns the changed memslot's final index
  * into the memslots array.
- * The memslot at the returned index will not be in @slots->id_hash by then.
+ * The memslot at the returned index will not be in @slots->hva_tree or
+ * @slots->id_hash by then.
  * @memslot is a detached struct with desired final data of the new or
  * changed slot.
- * Assumes that the memslot at @start index is not in @slots->id_hash.
+ * Assumes that the memslot at @start index is not in @slots->hva_tree or
+ * @slots->id_hash.
  */
 static inline int kvm_memslot_move_forward(struct kvm_memslots *slots,
                                           struct kvm_memory_slot *memslot,
@@ -1588,9 +1610,12 @@ static struct kvm_memslots *kvm_dup_memslots(struct kvm_memslots *old,
 
        memcpy(slots, old, kvm_memslots_size(old->used_slots));
 
+       slots->hva_tree = RB_ROOT_CACHED;
        hash_init(slots->id_hash);
-       kvm_for_each_memslot(memslot, slots)
+       kvm_for_each_memslot(memslot, slots) {
+               interval_tree_insert(&memslot->hva_node, &slots->hva_tree);
                hash_add(slots->id_hash, &memslot->id_node, memslot->id);
+       }
 
        return slots;
 }