Documentation/vm/split_page_table_lock

   1 Split page table lock
   2 =====================
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   4 Originally, mm->page_table_lock spinlock protected all page tables of the
   5 mm_struct. But this approach leads to poor page fault scalability of
   6 multi-threaded applications due high contention on the lock. To improve
   7 scalability, split page table lock was introduced.
   8
   9 With split page table lock we have separate per-table lock to serialize
  10 access to the table. At the moment we use split lock for PTE and PMD
  11 tables. Access to higher level tables protected by mm->page_table_lock.
  12
  13 There are helpers to lock/unlock a table and other accessor functions:
  14  - pte_offset_map_lock()
  15         maps pte and takes PTE table lock, returns pointer to the taken
  16         lock;
  17  - pte_unmap_unlock()
  18         unlocks and unmaps PTE table;
  19  - pte_alloc_map_lock()
  20         allocates PTE table if needed and take the lock, returns pointer
  21         to taken lock or NULL if allocation failed;
  22  - pte_lockptr()
  23         returns pointer to PTE table lock;
  24  - pmd_lock()
  25         takes PMD table lock, returns pointer to taken lock;
  26  - pmd_lockptr()
  27         returns pointer to PMD table lock;
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  29 Split page table lock for PTE tables is enabled compile-time if
  30 CONFIG_SPLIT_PTLOCK_CPUS (usually 4) is less or equal to NR_CPUS.
  31 If split lock is disabled, all tables guaded by mm->page_table_lock.
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  33 Split page table lock for PMD tables is enabled, if it's enabled for PTE
  34 tables and the architecture supports it (see below).
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  36 Hugetlb and split page table lock
  37 ---------------------------------
  38
  39 Hugetlb can support several page sizes. We use split lock only for PMD
  40 level, but not for PUD.
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  42 Hugetlb-specific helpers:
  43  - huge_pte_lock()
  44         takes pmd split lock for PMD_SIZE page, mm->page_table_lock
  45         otherwise;
  46  - huge_pte_lockptr()
  47         returns pointer to table lock;
  48
  49 Support of split page table lock by an architecture
  50 ---------------------------------------------------
  51
  52 There's no need in special enabling of PTE split page table lock:
  53 everything required is done by pgtable_page_ctor() and pgtable_page_dtor(),
  54 which must be called on PTE table allocation / freeing.
  55
  56 Make sure the architecture doesn't use slab allocator for page table
  57 allocation: slab uses page->slab_cache for its pages.
  58 This field shares storage with page->ptl.
  59
  60 PMD split lock only makes sense if you have more than two page table
  61 levels.
  62
  63 PMD split lock enabling requires pgtable_pmd_page_ctor() call on PMD table
  64 allocation and pgtable_pmd_page_dtor() on freeing.
  65
  66 Allocation usually happens in pmd_alloc_one(), freeing in pmd_free() and
  67 pmd_free_tlb(), but make sure you cover all PMD table allocation / freeing
  68 paths: i.e X86_PAE preallocate few PMDs on pgd_alloc().
  69
  70 With everything in place you can set CONFIG_ARCH_ENABLE_SPLIT_PMD_PTLOCK.
  71
  72 NOTE: pgtable_page_ctor() and pgtable_pmd_page_ctor() can fail -- it must
  73 be handled properly.
  74
  75 page->ptl
  76 ---------
  77
  78 page->ptl is used to access split page table lock, where 'page' is struct
  79 page of page containing the table. It shares storage with page->private
  80 (and few other fields in union).
  81
  82 To avoid increasing size of struct page and have best performance, we use a
  83 trick:
  84  - if spinlock_t fits into long, we use page->ptr as spinlock, so we
  85    can avoid indirect access and save a cache line.
  86  - if size of spinlock_t is bigger then size of long, we use page->ptl as
  87    pointer to spinlock_t and allocate it dynamically. This allows to use
  88    split lock with enabled DEBUG_SPINLOCK or DEBUG_LOCK_ALLOC, but costs
  89    one more cache line for indirect access;
  90
  91 The spinlock_t allocated in pgtable_page_ctor() for PTE table and in
  92 pgtable_pmd_page_ctor() for PMD table.
  93
  94 Please, never access page->ptl directly -- use appropriate helper.