WIP FPC-III support
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / admin-guide / mm / memory-hotplug.rst
blob5c4432c96c4b6d76a6e4c5245e6657a9e2e67382
1 .. _admin_guide_memory_hotplug:
3 ==============
4 Memory Hotplug
5 ==============
7 :Created:                                                       Jul 28 2007
8 :Updated: Add some details about locking internals:             Aug 20 2018
10 This document is about memory hotplug including how-to-use and current status.
11 Because Memory Hotplug is still under development, contents of this text will
12 be changed often.
14 .. contents:: :local:
16 .. note::
18     (1) x86_64's has special implementation for memory hotplug.
19         This text does not describe it.
20     (2) This text assumes that sysfs is mounted at ``/sys``.
23 Introduction
24 ============
26 Purpose of memory hotplug
27 -------------------------
29 Memory Hotplug allows users to increase/decrease the amount of memory.
30 Generally, there are two purposes.
32 (A) For changing the amount of memory.
33     This is to allow a feature like capacity on demand.
34 (B) For installing/removing DIMMs or NUMA-nodes physically.
35     This is to exchange DIMMs/NUMA-nodes, reduce power consumption, etc.
37 (A) is required by highly virtualized environments and (B) is required by
38 hardware which supports memory power management.
40 Linux memory hotplug is designed for both purpose.
42 Phases of memory hotplug
43 ------------------------
45 There are 2 phases in Memory Hotplug:
47   1) Physical Memory Hotplug phase
48   2) Logical Memory Hotplug phase.
50 The First phase is to communicate hardware/firmware and make/erase
51 environment for hotplugged memory. Basically, this phase is necessary
52 for the purpose (B), but this is good phase for communication between
53 highly virtualized environments too.
55 When memory is hotplugged, the kernel recognizes new memory, makes new memory
56 management tables, and makes sysfs files for new memory's operation.
58 If firmware supports notification of connection of new memory to OS,
59 this phase is triggered automatically. ACPI can notify this event. If not,
60 "probe" operation by system administration is used instead.
61 (see :ref:`memory_hotplug_physical_mem`).
63 Logical Memory Hotplug phase is to change memory state into
64 available/unavailable for users. Amount of memory from user's view is
65 changed by this phase. The kernel makes all memory in it as free pages
66 when a memory range is available.
68 In this document, this phase is described as online/offline.
70 Logical Memory Hotplug phase is triggered by write of sysfs file by system
71 administrator. For the hot-add case, it must be executed after Physical Hotplug
72 phase by hand.
73 (However, if you writes udev's hotplug scripts for memory hotplug, these
74 phases can be execute in seamless way.)
76 Unit of Memory online/offline operation
77 ---------------------------------------
79 Memory hotplug uses SPARSEMEM memory model which allows memory to be divided
80 into chunks of the same size. These chunks are called "sections". The size of
81 a memory section is architecture dependent. For example, power uses 16MiB, ia64
82 uses 1GiB.
84 Memory sections are combined into chunks referred to as "memory blocks". The
85 size of a memory block is architecture dependent and represents the logical
86 unit upon which memory online/offline operations are to be performed. The
87 default size of a memory block is the same as memory section size unless an
88 architecture specifies otherwise. (see :ref:`memory_hotplug_sysfs_files`.)
90 To determine the size (in bytes) of a memory block please read this file::
92   /sys/devices/system/memory/block_size_bytes
94 Kernel Configuration
95 ====================
97 To use memory hotplug feature, kernel must be compiled with following
98 config options.
100 - For all memory hotplug:
101     - Memory model -> Sparse Memory  (``CONFIG_SPARSEMEM``)
102     - Allow for memory hot-add       (``CONFIG_MEMORY_HOTPLUG``)
104 - To enable memory removal, the following are also necessary:
105     - Allow for memory hot remove    (``CONFIG_MEMORY_HOTREMOVE``)
106     - Page Migration                 (``CONFIG_MIGRATION``)
108 - For ACPI memory hotplug, the following are also necessary:
109     - Memory hotplug (under ACPI Support menu) (``CONFIG_ACPI_HOTPLUG_MEMORY``)
110     - This option can be kernel module.
112 - As a related configuration, if your box has a feature of NUMA-node hotplug
113   via ACPI, then this option is necessary too.
115     - ACPI0004,PNP0A05 and PNP0A06 Container Driver (under ACPI Support menu)
116       (``CONFIG_ACPI_CONTAINER``).
118      This option can be kernel module too.
121 .. _memory_hotplug_sysfs_files:
123 sysfs files for memory hotplug
124 ==============================
126 All memory blocks have their device information in sysfs.  Each memory block
127 is described under ``/sys/devices/system/memory`` as::
129         /sys/devices/system/memory/memoryXXX
131 where XXX is the memory block id.
133 For the memory block covered by the sysfs directory.  It is expected that all
134 memory sections in this range are present and no memory holes exist in the
135 range. Currently there is no way to determine if there is a memory hole, but
136 the existence of one should not affect the hotplug capabilities of the memory
137 block.
139 For example, assume 1GiB memory block size. A device for a memory starting at
140 0x100000000 is ``/sys/device/system/memory/memory4``::
142         (0x100000000 / 1Gib = 4)
144 This device covers address range [0x100000000 ... 0x140000000)
146 Under each memory block, you can see 5 files:
148 - ``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_index``
149 - ``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_device``
150 - ``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/state``
151 - ``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/removable``
152 - ``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/valid_zones``
154 =================== ============================================================
155 ``phys_index``      read-only and contains memory block id, same as XXX.
156 ``state``           read-write
158                     - at read:  contains online/offline state of memory.
159                     - at write: user can specify "online_kernel",
161                     "online_movable", "online", "offline" command
162                     which will be performed on all sections in the block.
163 ``phys_device``     read-only: designed to show the name of physical memory
164                     device.  This is not well implemented now.
165 ``removable``       read-only: contains an integer value indicating
166                     whether the memory block is removable or not
167                     removable.  A value of 1 indicates that the memory
168                     block is removable and a value of 0 indicates that
169                     it is not removable. A memory block is removable only if
170                     every section in the block is removable.
171 ``valid_zones``     read-only: designed to show which zones this memory block
172                     can be onlined to.
174                     The first column shows it`s default zone.
176                     "memory6/valid_zones: Normal Movable" shows this memoryblock
177                     can be onlined to ZONE_NORMAL by default and to ZONE_MOVABLE
178                     by online_movable.
180                     "memory7/valid_zones: Movable Normal" shows this memoryblock
181                     can be onlined to ZONE_MOVABLE by default and to ZONE_NORMAL
182                     by online_kernel.
183 =================== ============================================================
185 .. note::
187   These directories/files appear after physical memory hotplug phase.
189 If CONFIG_NUMA is enabled the memoryXXX/ directories can also be accessed
190 via symbolic links located in the ``/sys/devices/system/node/node*`` directories.
192 For example::
194         /sys/devices/system/node/node0/memory9 -> ../../memory/memory9
196 A backlink will also be created::
198         /sys/devices/system/memory/memory9/node0 -> ../../node/node0
200 .. _memory_hotplug_physical_mem:
202 Physical memory hot-add phase
203 =============================
205 Hardware(Firmware) Support
206 --------------------------
208 On x86_64/ia64 platform, memory hotplug by ACPI is supported.
210 In general, the firmware (ACPI) which supports memory hotplug defines
211 memory class object of _HID "PNP0C80". When a notify is asserted to PNP0C80,
212 Linux's ACPI handler does hot-add memory to the system and calls a hotplug udev
213 script. This will be done automatically.
215 But scripts for memory hotplug are not contained in generic udev package(now).
216 You may have to write it by yourself or online/offline memory by hand.
217 Please see :ref:`memory_hotplug_how_to_online_memory` and
218 :ref:`memory_hotplug_how_to_offline_memory`.
220 If firmware supports NUMA-node hotplug, and defines an object _HID "ACPI0004",
221 "PNP0A05", or "PNP0A06", notification is asserted to it, and ACPI handler
222 calls hotplug code for all of objects which are defined in it.
223 If memory device is found, memory hotplug code will be called.
225 Notify memory hot-add event by hand
226 -----------------------------------
228 On some architectures, the firmware may not notify the kernel of a memory
229 hotplug event.  Therefore, the memory "probe" interface is supported to
230 explicitly notify the kernel.  This interface depends on
231 CONFIG_ARCH_MEMORY_PROBE and can be configured on powerpc, sh, and x86
232 if hotplug is supported, although for x86 this should be handled by ACPI
233 notification.
235 Probe interface is located at::
237         /sys/devices/system/memory/probe
239 You can tell the physical address of new memory to the kernel by::
241         % echo start_address_of_new_memory > /sys/devices/system/memory/probe
243 Then, [start_address_of_new_memory, start_address_of_new_memory +
244 memory_block_size] memory range is hot-added. In this case, hotplug script is
245 not called (in current implementation). You'll have to online memory by
246 yourself.  Please see :ref:`memory_hotplug_how_to_online_memory`.
248 Logical Memory hot-add phase
249 ============================
251 State of memory
252 ---------------
254 To see (online/offline) state of a memory block, read 'state' file::
256         % cat /sys/device/system/memory/memoryXXX/state
259 - If the memory block is online, you'll read "online".
260 - If the memory block is offline, you'll read "offline".
263 .. _memory_hotplug_how_to_online_memory:
265 How to online memory
266 --------------------
268 When the memory is hot-added, the kernel decides whether or not to "online"
269 it according to the policy which can be read from "auto_online_blocks" file::
271         % cat /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
273 The default depends on the CONFIG_MEMORY_HOTPLUG_DEFAULT_ONLINE kernel config
274 option. If it is disabled the default is "offline" which means the newly added
275 memory is not in a ready-to-use state and you have to "online" the newly added
276 memory blocks manually. Automatic onlining can be requested by writing "online"
277 to "auto_online_blocks" file::
279         % echo online > /sys/devices/system/memory/auto_online_blocks
281 This sets a global policy and impacts all memory blocks that will subsequently
282 be hotplugged. Currently offline blocks keep their state. It is possible, under
283 certain circumstances, that some memory blocks will be added but will fail to
284 online. User space tools can check their "state" files
285 (``/sys/devices/system/memory/memoryXXX/state``) and try to online them manually.
287 If the automatic onlining wasn't requested, failed, or some memory block was
288 offlined it is possible to change the individual block's state by writing to the
289 "state" file::
291         % echo online > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
293 This onlining will not change the ZONE type of the target memory block,
294 If the memory block doesn't belong to any zone an appropriate kernel zone
295 (usually ZONE_NORMAL) will be used unless movable_node kernel command line
296 option is specified when ZONE_MOVABLE will be used.
298 You can explicitly request to associate it with ZONE_MOVABLE by::
300         % echo online_movable > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
302 .. note:: current limit: this memory block must be adjacent to ZONE_MOVABLE
304 Or you can explicitly request a kernel zone (usually ZONE_NORMAL) by::
306         % echo online_kernel > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
308 .. note:: current limit: this memory block must be adjacent to ZONE_NORMAL
310 An explicit zone onlining can fail (e.g. when the range is already within
311 and existing and incompatible zone already).
313 After this, memory block XXX's state will be 'online' and the amount of
314 available memory will be increased.
316 This may be changed in future.
318 Logical memory remove
319 =====================
321 Memory offline and ZONE_MOVABLE
322 -------------------------------
324 Memory offlining is more complicated than memory online. Because memory offline
325 has to make the whole memory block be unused, memory offline can fail if
326 the memory block includes memory which cannot be freed.
328 In general, memory offline can use 2 techniques.
330 (1) reclaim and free all memory in the memory block.
331 (2) migrate all pages in the memory block.
333 In the current implementation, Linux's memory offline uses method (2), freeing
334 all  pages in the memory block by page migration. But not all pages are
335 migratable. Under current Linux, migratable pages are anonymous pages and
336 page caches. For offlining a memory block by migration, the kernel has to
337 guarantee that the memory block contains only migratable pages.
339 Now, a boot option for making a memory block which consists of migratable pages
340 is supported. By specifying "kernelcore=" or "movablecore=" boot option, you can
341 create ZONE_MOVABLE...a zone which is just used for movable pages.
342 (See also Documentation/admin-guide/kernel-parameters.rst)
344 Assume the system has "TOTAL" amount of memory at boot time, this boot option
345 creates ZONE_MOVABLE as following.
347 1) When kernelcore=YYYY boot option is used,
348    Size of memory not for movable pages (not for offline) is YYYY.
349    Size of memory for movable pages (for offline) is TOTAL-YYYY.
351 2) When movablecore=ZZZZ boot option is used,
352    Size of memory not for movable pages (not for offline) is TOTAL - ZZZZ.
353    Size of memory for movable pages (for offline) is ZZZZ.
355 .. note::
357    Unfortunately, there is no information to show which memory block belongs
358    to ZONE_MOVABLE. This is TBD.
360 .. _memory_hotplug_how_to_offline_memory:
362 How to offline memory
363 ---------------------
365 You can offline a memory block by using the same sysfs interface that was used
366 in memory onlining::
368         % echo offline > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
370 If offline succeeds, the state of the memory block is changed to be "offline".
371 If it fails, some error core (like -EBUSY) will be returned by the kernel.
372 Even if a memory block does not belong to ZONE_MOVABLE, you can try to offline
373 it.  If it doesn't contain 'unmovable' memory, you'll get success.
375 A memory block under ZONE_MOVABLE is considered to be able to be offlined
376 easily.  But under some busy state, it may return -EBUSY. Even if a memory
377 block cannot be offlined due to -EBUSY, you can retry offlining it and may be
378 able to offline it (or not). (For example, a page is referred to by some kernel
379 internal call and released soon.)
381 Consideration:
382   Memory hotplug's design direction is to make the possibility of memory
383   offlining higher and to guarantee unplugging memory under any situation. But
384   it needs more work. Returning -EBUSY under some situation may be good because
385   the user can decide to retry more or not by himself. Currently, memory
386   offlining code does some amount of retry with 120 seconds timeout.
388 Physical memory remove
389 ======================
391 Need more implementation yet....
392  - Notification completion of remove works by OS to firmware.
393  - Guard from remove if not yet.
396 Locking Internals
397 =================
399 When adding/removing memory that uses memory block devices (i.e. ordinary RAM),
400 the device_hotplug_lock should be held to:
402 - synchronize against online/offline requests (e.g. via sysfs). This way, memory
403   block devices can only be accessed (.online/.state attributes) by user
404   space once memory has been fully added. And when removing memory, we
405   know nobody is in critical sections.
406 - synchronize against CPU hotplug and similar (e.g. relevant for ACPI and PPC)
408 Especially, there is a possible lock inversion that is avoided using
409 device_hotplug_lock when adding memory and user space tries to online that
410 memory faster than expected:
412 - device_online() will first take the device_lock(), followed by
413   mem_hotplug_lock
414 - add_memory_resource() will first take the mem_hotplug_lock, followed by
415   the device_lock() (while creating the devices, during bus_add_device()).
417 As the device is visible to user space before taking the device_lock(), this
418 can result in a lock inversion.
420 onlining/offlining of memory should be done via device_online()/
421 device_offline() - to make sure it is properly synchronized to actions
422 via sysfs. Holding device_hotplug_lock is advised (to e.g. protect online_type)
424 When adding/removing/onlining/offlining memory or adding/removing
425 heterogeneous/device memory, we should always hold the mem_hotplug_lock in
426 write mode to serialise memory hotplug (e.g. access to global/zone
427 variables).
429 In addition, mem_hotplug_lock (in contrast to device_hotplug_lock) in read
430 mode allows for a quite efficient get_online_mems/put_online_mems
431 implementation, so code accessing memory can protect from that memory
432 vanishing.
435 Future Work
436 ===========
438   - allowing memory hot-add to ZONE_MOVABLE. maybe we need some switch like
439     sysctl or new control file.
440   - showing memory block and physical device relationship.
441   - test and make it better memory offlining.
442   - support HugeTLB page migration and offlining.
443   - memmap removing at memory offline.
444   - physical remove memory.