Linux 3.16-rc2
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / memory-hotplug.txt
blobf304edb8fbe7fcd3f7297d9880c8cd763c27de2e
1 ==============
2 Memory Hotplug
3 ==============
5 Created:                                        Jul 28 2007
6 Add description of notifier of memory hotplug   Oct 11 2007
8 This document is about memory hotplug including how-to-use and current status.
9 Because Memory Hotplug is still under development, contents of this text will
10 be changed often.
12 1. Introduction
13   1.1 purpose of memory hotplug
14   1.2. Phases of memory hotplug
15   1.3. Unit of Memory online/offline operation
16 2. Kernel Configuration
17 3. sysfs files for memory hotplug
18 4. Physical memory hot-add phase
19   4.1 Hardware(Firmware) Support
20   4.2 Notify memory hot-add event by hand
21 5. Logical Memory hot-add phase
22   5.1. State of memory
23   5.2. How to online memory
24 6. Logical memory remove
25   6.1 Memory offline and ZONE_MOVABLE
26   6.2. How to offline memory
27 7. Physical memory remove
28 8. Memory hotplug event notifier
29 9. Future Work List
31 Note(1): x86_64's has special implementation for memory hotplug.
32          This text does not describe it.
33 Note(2): This text assumes that sysfs is mounted at /sys.
36 ---------------
37 1. Introduction
38 ---------------
40 1.1 purpose of memory hotplug
41 ------------
42 Memory Hotplug allows users to increase/decrease the amount of memory.
43 Generally, there are two purposes.
45 (A) For changing the amount of memory.
46     This is to allow a feature like capacity on demand.
47 (B) For installing/removing DIMMs or NUMA-nodes physically.
48     This is to exchange DIMMs/NUMA-nodes, reduce power consumption, etc.
50 (A) is required by highly virtualized environments and (B) is required by
51 hardware which supports memory power management.
53 Linux memory hotplug is designed for both purpose.
56 1.2. Phases of memory hotplug
57 ---------------
58 There are 2 phases in Memory Hotplug.
59   1) Physical Memory Hotplug phase
60   2) Logical Memory Hotplug phase.
62 The First phase is to communicate hardware/firmware and make/erase
63 environment for hotplugged memory. Basically, this phase is necessary
64 for the purpose (B), but this is good phase for communication between
65 highly virtualized environments too.
67 When memory is hotplugged, the kernel recognizes new memory, makes new memory
68 management tables, and makes sysfs files for new memory's operation.
70 If firmware supports notification of connection of new memory to OS,
71 this phase is triggered automatically. ACPI can notify this event. If not,
72 "probe" operation by system administration is used instead.
73 (see Section 4.).
75 Logical Memory Hotplug phase is to change memory state into
76 available/unavailable for users. Amount of memory from user's view is
77 changed by this phase. The kernel makes all memory in it as free pages
78 when a memory range is available.
80 In this document, this phase is described as online/offline.
82 Logical Memory Hotplug phase is triggered by write of sysfs file by system
83 administrator. For the hot-add case, it must be executed after Physical Hotplug
84 phase by hand.
85 (However, if you writes udev's hotplug scripts for memory hotplug, these
86  phases can be execute in seamless way.)
89 1.3. Unit of Memory online/offline operation
90 ------------
91 Memory hotplug uses SPARSEMEM memory model which allows memory to be divided
92 into chunks of the same size. These chunks are called "sections". The size of
93 a memory section is architecture dependent. For example, power uses 16MiB, ia64
94 uses 1GiB.
96 Memory sections are combined into chunks referred to as "memory blocks". The
97 size of a memory block is architecture dependent and represents the logical
98 unit upon which memory online/offline operations are to be performed. The
99 default size of a memory block is the same as memory section size unless an
100 architecture specifies otherwise. (see Section 3.)
102 To determine the size (in bytes) of a memory block please read this file:
104 /sys/devices/system/memory/block_size_bytes
107 -----------------------
108 2. Kernel Configuration
109 -----------------------
110 To use memory hotplug feature, kernel must be compiled with following
111 config options.
113 - For all memory hotplug
114     Memory model -> Sparse Memory  (CONFIG_SPARSEMEM)
115     Allow for memory hot-add       (CONFIG_MEMORY_HOTPLUG)
117 - To enable memory removal, the followings are also necessary
118     Allow for memory hot remove    (CONFIG_MEMORY_HOTREMOVE)
119     Page Migration                 (CONFIG_MIGRATION)
121 - For ACPI memory hotplug, the followings are also necessary
122     Memory hotplug (under ACPI Support menu) (CONFIG_ACPI_HOTPLUG_MEMORY)
123     This option can be kernel module.
125 - As a related configuration, if your box has a feature of NUMA-node hotplug
126   via ACPI, then this option is necessary too.
127     ACPI0004,PNP0A05 and PNP0A06 Container Driver (under ACPI Support menu)
128     (CONFIG_ACPI_CONTAINER).
129     This option can be kernel module too.
132 --------------------------------
133 3 sysfs files for memory hotplug
134 --------------------------------
135 All memory blocks have their device information in sysfs.  Each memory block
136 is described under /sys/devices/system/memory as
138 /sys/devices/system/memory/memoryXXX
139 (XXX is the memory block id.)
141 For the memory block covered by the sysfs directory.  It is expected that all
142 memory sections in this range are present and no memory holes exist in the
143 range. Currently there is no way to determine if there is a memory hole, but
144 the existence of one should not affect the hotplug capabilities of the memory
145 block.
147 For example, assume 1GiB memory block size. A device for a memory starting at
148 0x100000000 is /sys/device/system/memory/memory4
149 (0x100000000 / 1Gib = 4)
150 This device covers address range [0x100000000 ... 0x140000000)
152 Under each memory block, you can see 4 files:
154 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_index
155 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_device
156 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
157 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/removable
159 'phys_index'      : read-only and contains memory block id, same as XXX.
160 'state'           : read-write
161                     at read:  contains online/offline state of memory.
162                     at write: user can specify "online_kernel",
163                     "online_movable", "online", "offline" command
164                     which will be performed on all sections in the block.
165 'phys_device'     : read-only: designed to show the name of physical memory
166                     device.  This is not well implemented now.
167 'removable'       : read-only: contains an integer value indicating
168                     whether the memory block is removable or not
169                     removable.  A value of 1 indicates that the memory
170                     block is removable and a value of 0 indicates that
171                     it is not removable. A memory block is removable only if
172                     every section in the block is removable.
174 NOTE:
175   These directories/files appear after physical memory hotplug phase.
177 If CONFIG_NUMA is enabled the memoryXXX/ directories can also be accessed
178 via symbolic links located in the /sys/devices/system/node/node* directories.
180 For example:
181 /sys/devices/system/node/node0/memory9 -> ../../memory/memory9
183 A backlink will also be created:
184 /sys/devices/system/memory/memory9/node0 -> ../../node/node0
187 --------------------------------
188 4. Physical memory hot-add phase
189 --------------------------------
191 4.1 Hardware(Firmware) Support
192 ------------
193 On x86_64/ia64 platform, memory hotplug by ACPI is supported.
195 In general, the firmware (ACPI) which supports memory hotplug defines
196 memory class object of _HID "PNP0C80". When a notify is asserted to PNP0C80,
197 Linux's ACPI handler does hot-add memory to the system and calls a hotplug udev
198 script. This will be done automatically.
200 But scripts for memory hotplug are not contained in generic udev package(now).
201 You may have to write it by yourself or online/offline memory by hand.
202 Please see "How to online memory", "How to offline memory" in this text.
204 If firmware supports NUMA-node hotplug, and defines an object _HID "ACPI0004",
205 "PNP0A05", or "PNP0A06", notification is asserted to it, and ACPI handler
206 calls hotplug code for all of objects which are defined in it.
207 If memory device is found, memory hotplug code will be called.
210 4.2 Notify memory hot-add event by hand
211 ------------
212 On powerpc, the firmware does not notify a memory hotplug event to the kernel.
213 Therefore, "probe" interface is supported to notify the event to the kernel.
214 This interface depends on CONFIG_ARCH_MEMORY_PROBE.
216 CONFIG_ARCH_MEMORY_PROBE is supported on powerpc only. On x86, this config
217 option is disabled by default since ACPI notifies a memory hotplug event to
218 the kernel, which performs its hotplug operation as the result. Please
219 enable this option if you need the "probe" interface for testing purposes
220 on x86.
222 Probe interface is located at
223 /sys/devices/system/memory/probe
225 You can tell the physical address of new memory to the kernel by
227 % echo start_address_of_new_memory > /sys/devices/system/memory/probe
229 Then, [start_address_of_new_memory, start_address_of_new_memory +
230 memory_block_size] memory range is hot-added. In this case, hotplug script is
231 not called (in current implementation). You'll have to online memory by
232 yourself.  Please see "How to online memory" in this text.
235 ------------------------------
236 5. Logical Memory hot-add phase
237 ------------------------------
239 5.1. State of memory
240 ------------
241 To see (online/offline) state of a memory block, read 'state' file.
243 % cat /sys/device/system/memory/memoryXXX/state
246 If the memory block is online, you'll read "online".
247 If the memory block is offline, you'll read "offline".
250 5.2. How to online memory
251 ------------
252 Even if the memory is hot-added, it is not at ready-to-use state.
253 For using newly added memory, you have to "online" the memory block.
255 For onlining, you have to write "online" to the memory block's state file as:
257 % echo online > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
259 This onlining will not change the ZONE type of the target memory block,
260 If the memory block is in ZONE_NORMAL, you can change it to ZONE_MOVABLE:
262 % echo online_movable > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
263 (NOTE: current limit: this memory block must be adjacent to ZONE_MOVABLE)
265 And if the memory block is in ZONE_MOVABLE, you can change it to ZONE_NORMAL:
267 % echo online_kernel > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
268 (NOTE: current limit: this memory block must be adjacent to ZONE_NORMAL)
270 After this, memory block XXX's state will be 'online' and the amount of
271 available memory will be increased.
273 Currently, newly added memory is added as ZONE_NORMAL (for powerpc, ZONE_DMA).
274 This may be changed in future.
278 ------------------------
279 6. Logical memory remove
280 ------------------------
282 6.1 Memory offline and ZONE_MOVABLE
283 ------------
284 Memory offlining is more complicated than memory online. Because memory offline
285 has to make the whole memory block be unused, memory offline can fail if
286 the memory block includes memory which cannot be freed.
288 In general, memory offline can use 2 techniques.
290 (1) reclaim and free all memory in the memory block.
291 (2) migrate all pages in the memory block.
293 In the current implementation, Linux's memory offline uses method (2), freeing
294 all  pages in the memory block by page migration. But not all pages are
295 migratable. Under current Linux, migratable pages are anonymous pages and
296 page caches. For offlining a memory block by migration, the kernel has to
297 guarantee that the memory block contains only migratable pages.
299 Now, a boot option for making a memory block which consists of migratable pages
300 is supported. By specifying "kernelcore=" or "movablecore=" boot option, you can
301 create ZONE_MOVABLE...a zone which is just used for movable pages.
302 (See also Documentation/kernel-parameters.txt)
304 Assume the system has "TOTAL" amount of memory at boot time, this boot option
305 creates ZONE_MOVABLE as following.
307 1) When kernelcore=YYYY boot option is used,
308   Size of memory not for movable pages (not for offline) is YYYY.
309   Size of memory for movable pages (for offline) is TOTAL-YYYY.
311 2) When movablecore=ZZZZ boot option is used,
312   Size of memory not for movable pages (not for offline) is TOTAL - ZZZZ.
313   Size of memory for movable pages (for offline) is ZZZZ.
316 Note: Unfortunately, there is no information to show which memory block belongs
317 to ZONE_MOVABLE. This is TBD.
320 6.2. How to offline memory
321 ------------
322 You can offline a memory block by using the same sysfs interface that was used
323 in memory onlining.
325 % echo offline > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
327 If offline succeeds, the state of the memory block is changed to be "offline".
328 If it fails, some error core (like -EBUSY) will be returned by the kernel.
329 Even if a memory block does not belong to ZONE_MOVABLE, you can try to offline
330 it.  If it doesn't contain 'unmovable' memory, you'll get success.
332 A memory block under ZONE_MOVABLE is considered to be able to be offlined
333 easily.  But under some busy state, it may return -EBUSY. Even if a memory
334 block cannot be offlined due to -EBUSY, you can retry offlining it and may be
335 able to offline it (or not). (For example, a page is referred to by some kernel
336 internal call and released soon.)
338 Consideration:
339 Memory hotplug's design direction is to make the possibility of memory offlining
340 higher and to guarantee unplugging memory under any situation. But it needs
341 more work. Returning -EBUSY under some situation may be good because the user
342 can decide to retry more or not by himself. Currently, memory offlining code
343 does some amount of retry with 120 seconds timeout.
345 -------------------------
346 7. Physical memory remove
347 -------------------------
348 Need more implementation yet....
349  - Notification completion of remove works by OS to firmware.
350  - Guard from remove if not yet.
352 --------------------------------
353 8. Memory hotplug event notifier
354 --------------------------------
355 Memory hotplug has event notifier. There are 6 types of notification.
357 MEMORY_GOING_ONLINE
358   Generated before new memory becomes available in order to be able to
359   prepare subsystems to handle memory. The page allocator is still unable
360   to allocate from the new memory.
362 MEMORY_CANCEL_ONLINE
363   Generated if MEMORY_GOING_ONLINE fails.
365 MEMORY_ONLINE
366   Generated when memory has successfully brought online. The callback may
367   allocate pages from the new memory.
369 MEMORY_GOING_OFFLINE
370   Generated to begin the process of offlining memory. Allocations are no
371   longer possible from the memory but some of the memory to be offlined
372   is still in use. The callback can be used to free memory known to a
373   subsystem from the indicated memory block.
375 MEMORY_CANCEL_OFFLINE
376   Generated if MEMORY_GOING_OFFLINE fails. Memory is available again from
377   the memory block that we attempted to offline.
379 MEMORY_OFFLINE
380   Generated after offlining memory is complete.
382 A callback routine can be registered by
383   hotplug_memory_notifier(callback_func, priority)
385 The second argument of callback function (action) is event types of above.
386 The third argument is passed by pointer of struct memory_notify.
388 struct memory_notify {
389        unsigned long start_pfn;
390        unsigned long nr_pages;
391        int status_change_nid_normal;
392        int status_change_nid_high;
393        int status_change_nid;
396 start_pfn is start_pfn of online/offline memory.
397 nr_pages is # of pages of online/offline memory.
398 status_change_nid_normal is set node id when N_NORMAL_MEMORY of nodemask
399 is (will be) set/clear, if this is -1, then nodemask status is not changed.
400 status_change_nid_high is set node id when N_HIGH_MEMORY of nodemask
401 is (will be) set/clear, if this is -1, then nodemask status is not changed.
402 status_change_nid is set node id when N_MEMORY of nodemask is (will be)
403 set/clear. It means a new(memoryless) node gets new memory by online and a
404 node loses all memory. If this is -1, then nodemask status is not changed.
405 If status_changed_nid* >= 0, callback should create/discard structures for the
406 node if necessary.
408 --------------
409 9. Future Work
410 --------------
411   - allowing memory hot-add to ZONE_MOVABLE. maybe we need some switch like
412     sysctl or new control file.
413   - showing memory block and physical device relationship.
414   - showing memory block is under ZONE_MOVABLE or not
415   - test and make it better memory offlining.
416   - support HugeTLB page migration and offlining.
417   - memmap removing at memory offline.
418   - physical remove memory.