Documentation/vm/page_migration

   1 Page migration
   2 --------------
   3
   4 Page migration allows the moving of the physical location of pages between
   5 nodes in a numa system while the process is running. This means that the
   6 virtual addresses that the process sees do not change. However, the
   7 system rearranges the physical location of those pages.
   8
   9 The main intend of page migration is to reduce the latency of memory access
  10 by moving pages near to the processor where the process accessing that memory
  11 is running.
  12
  13 Page migration allows a process to manually relocate the node on which its
  14 pages are located through the MF_MOVE and MF_MOVE_ALL options while setting
  15 a new memory policy via mbind(). The pages of process can also be relocated
  16 from another process using the sys_migrate_pages() function call. The
  17 migrate_pages function call takes two sets of nodes and moves pages of a
  18 process that are located on the from nodes to the destination nodes.
  19 Page migration functions are provided by the numactl package by Andi Kleen
  20 (a version later than 0.9.3 is required. Get it from
  21 ftp://oss.sgi.com/www/projects/libnuma/download/). numactl provides libnuma
  22 which provides an interface similar to other numa functionality for page
  23 migration.  cat /proc/<pid>/numa_maps allows an easy review of where the
  24 pages of a process are located. See also the numa_maps documentation in the
  25 proc(5) man page.
  26
  27 Manual migration is useful if for example the scheduler has relocated
  28 a process to a processor on a distant node. A batch scheduler or an
  29 administrator may detect the situation and move the pages of the process
  30 nearer to the new processor. The kernel itself does only provide
  31 manual page migration support. Automatic page migration may be implemented
  32 through user space processes that move pages. A special function call
  33 "move_pages" allows the moving of individual pages within a process.
  34 A NUMA profiler may f.e. obtain a log showing frequent off node
  35 accesses and may use the result to move pages to more advantageous
  36 locations.
  37
  38 Larger installations usually partition the system using cpusets into
  39 sections of nodes. Paul Jackson has equipped cpusets with the ability to
  40 move pages when a task is moved to another cpuset (See
  41 Documentation/cgroups/cpusets.txt).
  42 Cpusets allows the automation of process locality. If a task is moved to
  43 a new cpuset then also all its pages are moved with it so that the
  44 performance of the process does not sink dramatically. Also the pages
  45 of processes in a cpuset are moved if the allowed memory nodes of a
  46 cpuset are changed.
  47
  48 Page migration allows the preservation of the relative location of pages
  49 within a group of nodes for all migration techniques which will preserve a
  50 particular memory allocation pattern generated even after migrating a
  51 process. This is necessary in order to preserve the memory latencies.
  52 Processes will run with similar performance after migration.
  53
  54 Page migration occurs in several steps. First a high level
  55 description for those trying to use migrate_pages() from the kernel
  56 (for userspace usage see the Andi Kleen's numactl package mentioned above)
  57 and then a low level description of how the low level details work.
  58
  59 A. In kernel use of migrate_pages()
  60 -----------------------------------
  61
  62 1. Remove pages from the LRU.
  63
  64    Lists of pages to be migrated are generated by scanning over
  65    pages and moving them into lists. This is done by
  66    calling isolate_lru_page().
  67    Calling isolate_lru_page increases the references to the page
  68    so that it cannot vanish while the page migration occurs.
  69    It also prevents the swapper or other scans to encounter
  70    the page.
  71
  72 2. We need to have a function of type new_page_t that can be
  73    passed to migrate_pages(). This function should figure out
  74    how to allocate the correct new page given the old page.
  75
  76 3. The migrate_pages() function is called which attempts
  77    to do the migration. It will call the function to allocate
  78    the new page for each page that is considered for
  79    moving.
  80
  81 B. How migrate_pages() works
  82 ----------------------------
  83
  84 migrate_pages() does several passes over its list of pages. A page is moved
  85 if all references to a page are removable at the time. The page has
  86 already been removed from the LRU via isolate_lru_page() and the refcount
  87 is increased so that the page cannot be freed while page migration occurs.
  88
  89 Steps:
  90
  91 1. Lock the page to be migrated
  92
  93 2. Insure that writeback is complete.
  94
  95 3. Prep the new page that we want to move to. It is locked
  96    and set to not being uptodate so that all accesses to the new
  97    page immediately lock while the move is in progress.
  98
  99 4. The new page is prepped with some settings from the old page so that
 100    accesses to the new page will discover a page with the correct settings.
 101
 102 5. All the page table references to the page are converted
 103    to migration entries or dropped (nonlinear vmas).
 104    This decrease the mapcount of a page. If the resulting
 105    mapcount is not zero then we do not migrate the page.
 106    All user space processes that attempt to access the page
 107    will now wait on the page lock.
 108
 109 6. The radix tree lock is taken. This will cause all processes trying
 110    to access the page via the mapping to block on the radix tree spinlock.
 111
 112 7. The refcount of the page is examined and we back out if references remain
 113    otherwise we know that we are the only one referencing this page.
 114
 115 8. The radix tree is checked and if it does not contain the pointer to this
 116    page then we back out because someone else modified the radix tree.
 117
 118 9. The radix tree is changed to point to the new page.
 119
 120 10. The reference count of the old page is dropped because the radix tree
 121     reference is gone. A reference to the new page is established because
 122     the new page is referenced to by the radix tree.
 123
 124 11. The radix tree lock is dropped. With that lookups in the mapping
 125     become possible again. Processes will move from spinning on the tree_lock
 126     to sleeping on the locked new page.
 127
 128 12. The page contents are copied to the new page.
 129
 130 13. The remaining page flags are copied to the new page.
 131
 132 14. The old page flags are cleared to indicate that the page does
 133     not provide any information anymore.
 134
 135 15. Queued up writeback on the new page is triggered.
 136
 137 16. If migration entries were page then replace them with real ptes. Doing
 138     so will enable access for user space processes not already waiting for
 139     the page lock.
 140
 141 19. The page locks are dropped from the old and new page.
 142     Processes waiting on the page lock will redo their page faults
 143     and will reach the new page.
 144
 145 20. The new page is moved to the LRU and can be scanned by the swapper
 146     etc again.
 147
 148 Christoph Lameter, May 8, 2006.
 149