Merge with master.kernel.org:/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
[linux-2.6] / Documentation / cpusets.txt
1                                 CPUSETS
2                                 -------
3
4 Copyright (C) 2004 BULL SA.
5 Written by Simon.Derr@bull.net
6
7 Portions Copyright (c) 2004 Silicon Graphics, Inc.
8 Modified by Paul Jackson <pj@sgi.com>
9
10 CONTENTS:
11 =========
12
13 1. Cpusets
14   1.1 What are cpusets ?
15   1.2 Why are cpusets needed ?
16   1.3 How are cpusets implemented ?
17   1.4 How do I use cpusets ?
18 2. Usage Examples and Syntax
19   2.1 Basic Usage
20   2.2 Adding/removing cpus
21   2.3 Setting flags
22   2.4 Attaching processes
23 3. Questions
24 4. Contact
25
26 1. Cpusets
27 ==========
28
29 1.1 What are cpusets ?
30 ----------------------
31
32 Cpusets provide a mechanism for assigning a set of CPUs and Memory
33 Nodes to a set of tasks.
34
35 Cpusets constrain the CPU and Memory placement of tasks to only
36 the resources within a tasks current cpuset.  They form a nested
37 hierarchy visible in a virtual file system.  These are the essential
38 hooks, beyond what is already present, required to manage dynamic
39 job placement on large systems.
40
41 Each task has a pointer to a cpuset.  Multiple tasks may reference
42 the same cpuset.  Requests by a task, using the sched_setaffinity(2)
43 system call to include CPUs in its CPU affinity mask, and using the
44 mbind(2) and set_mempolicy(2) system calls to include Memory Nodes
45 in its memory policy, are both filtered through that tasks cpuset,
46 filtering out any CPUs or Memory Nodes not in that cpuset.  The
47 scheduler will not schedule a task on a CPU that is not allowed in
48 its cpus_allowed vector, and the kernel page allocator will not
49 allocate a page on a node that is not allowed in the requesting tasks
50 mems_allowed vector.
51
52 If a cpuset is cpu or mem exclusive, no other cpuset, other than a direct
53 ancestor or descendent, may share any of the same CPUs or Memory Nodes.
54
55 User level code may create and destroy cpusets by name in the cpuset
56 virtual file system, manage the attributes and permissions of these
57 cpusets and which CPUs and Memory Nodes are assigned to each cpuset,
58 specify and query to which cpuset a task is assigned, and list the
59 task pids assigned to a cpuset.
60
61
62 1.2 Why are cpusets needed ?
63 ----------------------------
64
65 The management of large computer systems, with many processors (CPUs),
66 complex memory cache hierarchies and multiple Memory Nodes having
67 non-uniform access times (NUMA) presents additional challenges for
68 the efficient scheduling and memory placement of processes.
69
70 Frequently more modest sized systems can be operated with adequate
71 efficiency just by letting the operating system automatically share
72 the available CPU and Memory resources amongst the requesting tasks.
73
74 But larger systems, which benefit more from careful processor and
75 memory placement to reduce memory access times and contention,
76 and which typically represent a larger investment for the customer,
77 can benefit from explictly placing jobs on properly sized subsets of
78 the system.
79
80 This can be especially valuable on:
81
82     * Web Servers running multiple instances of the same web application,
83     * Servers running different applications (for instance, a web server
84       and a database), or
85     * NUMA systems running large HPC applications with demanding
86       performance characteristics.
87
88 These subsets, or "soft partitions" must be able to be dynamically
89 adjusted, as the job mix changes, without impacting other concurrently
90 executing jobs.
91
92 The kernel cpuset patch provides the minimum essential kernel
93 mechanisms required to efficiently implement such subsets.  It
94 leverages existing CPU and Memory Placement facilities in the Linux
95 kernel to avoid any additional impact on the critical scheduler or
96 memory allocator code.
97
98
99 1.3 How are cpusets implemented ?
100 ---------------------------------
101
102 Cpusets provide a Linux kernel (2.6.7 and above) mechanism to constrain
103 which CPUs and Memory Nodes are used by a process or set of processes.
104
105 The Linux kernel already has a pair of mechanisms to specify on which
106 CPUs a task may be scheduled (sched_setaffinity) and on which Memory
107 Nodes it may obtain memory (mbind, set_mempolicy).
108
109 Cpusets extends these two mechanisms as follows:
110
111  - Cpusets are sets of allowed CPUs and Memory Nodes, known to the
112    kernel.
113  - Each task in the system is attached to a cpuset, via a pointer
114    in the task structure to a reference counted cpuset structure.
115  - Calls to sched_setaffinity are filtered to just those CPUs
116    allowed in that tasks cpuset.
117  - Calls to mbind and set_mempolicy are filtered to just
118    those Memory Nodes allowed in that tasks cpuset.
119  - The root cpuset contains all the systems CPUs and Memory
120    Nodes.
121  - For any cpuset, one can define child cpusets containing a subset
122    of the parents CPU and Memory Node resources.
123  - The hierarchy of cpusets can be mounted at /dev/cpuset, for
124    browsing and manipulation from user space.
125  - A cpuset may be marked exclusive, which ensures that no other
126    cpuset (except direct ancestors and descendents) may contain
127    any overlapping CPUs or Memory Nodes.
128  - You can list all the tasks (by pid) attached to any cpuset.
129
130 The implementation of cpusets requires a few, simple hooks
131 into the rest of the kernel, none in performance critical paths:
132
133  - in main/init.c, to initialize the root cpuset at system boot.
134  - in fork and exit, to attach and detach a task from its cpuset.
135  - in sched_setaffinity, to mask the requested CPUs by what's
136    allowed in that tasks cpuset.
137  - in sched.c migrate_all_tasks(), to keep migrating tasks within
138    the CPUs allowed by their cpuset, if possible.
139  - in the mbind and set_mempolicy system calls, to mask the requested
140    Memory Nodes by what's allowed in that tasks cpuset.
141  - in page_alloc, to restrict memory to allowed nodes.
142  - in vmscan.c, to restrict page recovery to the current cpuset.
143
144 In addition a new file system, of type "cpuset" may be mounted,
145 typically at /dev/cpuset, to enable browsing and modifying the cpusets
146 presently known to the kernel.  No new system calls are added for
147 cpusets - all support for querying and modifying cpusets is via
148 this cpuset file system.
149
150 Each task under /proc has an added file named 'cpuset', displaying
151 the cpuset name, as the path relative to the root of the cpuset file
152 system.
153
154 The /proc/<pid>/status file for each task has two added lines,
155 displaying the tasks cpus_allowed (on which CPUs it may be scheduled)
156 and mems_allowed (on which Memory Nodes it may obtain memory),
157 in the format seen in the following example:
158
159   Cpus_allowed:   ffffffff,ffffffff,ffffffff,ffffffff
160   Mems_allowed:   ffffffff,ffffffff
161
162 Each cpuset is represented by a directory in the cpuset file system
163 containing the following files describing that cpuset:
164
165  - cpus: list of CPUs in that cpuset
166  - mems: list of Memory Nodes in that cpuset
167  - cpu_exclusive flag: is cpu placement exclusive?
168  - mem_exclusive flag: is memory placement exclusive?
169  - tasks: list of tasks (by pid) attached to that cpuset
170
171 New cpusets are created using the mkdir system call or shell
172 command.  The properties of a cpuset, such as its flags, allowed
173 CPUs and Memory Nodes, and attached tasks, are modified by writing
174 to the appropriate file in that cpusets directory, as listed above.
175
176 The named hierarchical structure of nested cpusets allows partitioning
177 a large system into nested, dynamically changeable, "soft-partitions".
178
179 The attachment of each task, automatically inherited at fork by any
180 children of that task, to a cpuset allows organizing the work load
181 on a system into related sets of tasks such that each set is constrained
182 to using the CPUs and Memory Nodes of a particular cpuset.  A task
183 may be re-attached to any other cpuset, if allowed by the permissions
184 on the necessary cpuset file system directories.
185
186 Such management of a system "in the large" integrates smoothly with
187 the detailed placement done on individual tasks and memory regions
188 using the sched_setaffinity, mbind and set_mempolicy system calls.
189
190 The following rules apply to each cpuset:
191
192  - Its CPUs and Memory Nodes must be a subset of its parents.
193  - It can only be marked exclusive if its parent is.
194  - If its cpu or memory is exclusive, they may not overlap any sibling.
195
196 These rules, and the natural hierarchy of cpusets, enable efficient
197 enforcement of the exclusive guarantee, without having to scan all
198 cpusets every time any of them change to ensure nothing overlaps a
199 exclusive cpuset.  Also, the use of a Linux virtual file system (vfs)
200 to represent the cpuset hierarchy provides for a familiar permission
201 and name space for cpusets, with a minimum of additional kernel code.
202
203 1.4 How do I use cpusets ?
204 --------------------------
205
206 In order to minimize the impact of cpusets on critical kernel
207 code, such as the scheduler, and due to the fact that the kernel
208 does not support one task updating the memory placement of another
209 task directly, the impact on a task of changing its cpuset CPU
210 or Memory Node placement, or of changing to which cpuset a task
211 is attached, is subtle.
212
213 If a cpuset has its Memory Nodes modified, then for each task attached
214 to that cpuset, the next time that the kernel attempts to allocate
215 a page of memory for that task, the kernel will notice the change
216 in the tasks cpuset, and update its per-task memory placement to
217 remain within the new cpusets memory placement.  If the task was using
218 mempolicy MPOL_BIND, and the nodes to which it was bound overlap with
219 its new cpuset, then the task will continue to use whatever subset
220 of MPOL_BIND nodes are still allowed in the new cpuset.  If the task
221 was using MPOL_BIND and now none of its MPOL_BIND nodes are allowed
222 in the new cpuset, then the task will be essentially treated as if it
223 was MPOL_BIND bound to the new cpuset (even though its numa placement,
224 as queried by get_mempolicy(), doesn't change).  If a task is moved
225 from one cpuset to another, then the kernel will adjust the tasks
226 memory placement, as above, the next time that the kernel attempts
227 to allocate a page of memory for that task.
228
229 If a cpuset has its CPUs modified, then each task using that
230 cpuset does _not_ change its behavior automatically.  In order to
231 minimize the impact on the critical scheduling code in the kernel,
232 tasks will continue to use their prior CPU placement until they
233 are rebound to their cpuset, by rewriting their pid to the 'tasks'
234 file of their cpuset.  If a task had been bound to some subset of its
235 cpuset using the sched_setaffinity() call, and if any of that subset
236 is still allowed in its new cpuset settings, then the task will be
237 restricted to the intersection of the CPUs it was allowed on before,
238 and its new cpuset CPU placement.  If, on the other hand, there is
239 no overlap between a tasks prior placement and its new cpuset CPU
240 placement, then the task will be allowed to run on any CPU allowed
241 in its new cpuset.  If a task is moved from one cpuset to another,
242 its CPU placement is updated in the same way as if the tasks pid is
243 rewritten to the 'tasks' file of its current cpuset.
244
245 In summary, the memory placement of a task whose cpuset is changed is
246 updated by the kernel, on the next allocation of a page for that task,
247 but the processor placement is not updated, until that tasks pid is
248 rewritten to the 'tasks' file of its cpuset.  This is done to avoid
249 impacting the scheduler code in the kernel with a check for changes
250 in a tasks processor placement.
251
252 There is an exception to the above.  If hotplug funtionality is used
253 to remove all the CPUs that are currently assigned to a cpuset,
254 then the kernel will automatically update the cpus_allowed of all
255 tasks attached to CPUs in that cpuset with the online CPUs of the
256 nearest parent cpuset that still has some CPUs online.  When memory
257 hotplug functionality for removing Memory Nodes is available, a
258 similar exception is expected to apply there as well.  In general,
259 the kernel prefers to violate cpuset placement, over starving a task
260 that has had all its allowed CPUs or Memory Nodes taken offline.  User
261 code should reconfigure cpusets to only refer to online CPUs and Memory
262 Nodes when using hotplug to add or remove such resources.
263
264 There is a second exception to the above.  GFP_ATOMIC requests are
265 kernel internal allocations that must be satisfied, immediately.
266 The kernel may drop some request, in rare cases even panic, if a
267 GFP_ATOMIC alloc fails.  If the request cannot be satisfied within
268 the current tasks cpuset, then we relax the cpuset, and look for
269 memory anywhere we can find it.  It's better to violate the cpuset
270 than stress the kernel.
271
272 To start a new job that is to be contained within a cpuset, the steps are:
273
274  1) mkdir /dev/cpuset
275  2) mount -t cpuset none /dev/cpuset
276  3) Create the new cpuset by doing mkdir's and write's (or echo's) in
277     the /dev/cpuset virtual file system.
278  4) Start a task that will be the "founding father" of the new job.
279  5) Attach that task to the new cpuset by writing its pid to the
280     /dev/cpuset tasks file for that cpuset.
281  6) fork, exec or clone the job tasks from this founding father task.
282
283 For example, the following sequence of commands will setup a cpuset
284 named "Charlie", containing just CPUs 2 and 3, and Memory Node 1,
285 and then start a subshell 'sh' in that cpuset:
286
287   mount -t cpuset none /dev/cpuset
288   cd /dev/cpuset
289   mkdir Charlie
290   cd Charlie
291   /bin/echo 2-3 > cpus
292   /bin/echo 1 > mems
293   /bin/echo $$ > tasks
294   sh
295   # The subshell 'sh' is now running in cpuset Charlie
296   # The next line should display '/Charlie'
297   cat /proc/self/cpuset
298
299 In the case that a change of cpuset includes wanting to move already
300 allocated memory pages, consider further the work of IWAMOTO
301 Toshihiro <iwamoto@valinux.co.jp> for page remapping and memory
302 hotremoval, which can be found at:
303
304   http://people.valinux.co.jp/~iwamoto/mh.html
305
306 The integration of cpusets with such memory migration is not yet
307 available.
308
309 In the future, a C library interface to cpusets will likely be
310 available.  For now, the only way to query or modify cpusets is
311 via the cpuset file system, using the various cd, mkdir, echo, cat,
312 rmdir commands from the shell, or their equivalent from C.
313
314 The sched_setaffinity calls can also be done at the shell prompt using
315 SGI's runon or Robert Love's taskset.  The mbind and set_mempolicy
316 calls can be done at the shell prompt using the numactl command
317 (part of Andi Kleen's numa package).
318
319 2. Usage Examples and Syntax
320 ============================
321
322 2.1 Basic Usage
323 ---------------
324
325 Creating, modifying, using the cpusets can be done through the cpuset
326 virtual filesystem.
327
328 To mount it, type:
329 # mount -t cpuset none /dev/cpuset
330
331 Then under /dev/cpuset you can find a tree that corresponds to the
332 tree of the cpusets in the system. For instance, /dev/cpuset
333 is the cpuset that holds the whole system.
334
335 If you want to create a new cpuset under /dev/cpuset:
336 # cd /dev/cpuset
337 # mkdir my_cpuset
338
339 Now you want to do something with this cpuset.
340 # cd my_cpuset
341
342 In this directory you can find several files:
343 # ls
344 cpus  cpu_exclusive  mems  mem_exclusive  tasks
345
346 Reading them will give you information about the state of this cpuset:
347 the CPUs and Memory Nodes it can use, the processes that are using
348 it, its properties.  By writing to these files you can manipulate
349 the cpuset.
350
351 Set some flags:
352 # /bin/echo 1 > cpu_exclusive
353
354 Add some cpus:
355 # /bin/echo 0-7 > cpus
356
357 Now attach your shell to this cpuset:
358 # /bin/echo $$ > tasks
359
360 You can also create cpusets inside your cpuset by using mkdir in this
361 directory.
362 # mkdir my_sub_cs
363
364 To remove a cpuset, just use rmdir:
365 # rmdir my_sub_cs
366 This will fail if the cpuset is in use (has cpusets inside, or has
367 processes attached).
368
369 2.2 Adding/removing cpus
370 ------------------------
371
372 This is the syntax to use when writing in the cpus or mems files
373 in cpuset directories:
374
375 # /bin/echo 1-4 > cpus          -> set cpus list to cpus 1,2,3,4
376 # /bin/echo 1,2,3,4 > cpus      -> set cpus list to cpus 1,2,3,4
377
378 2.3 Setting flags
379 -----------------
380
381 The syntax is very simple:
382
383 # /bin/echo 1 > cpu_exclusive   -> set flag 'cpu_exclusive'
384 # /bin/echo 0 > cpu_exclusive   -> unset flag 'cpu_exclusive'
385
386 2.4 Attaching processes
387 -----------------------
388
389 # /bin/echo PID > tasks
390
391 Note that it is PID, not PIDs. You can only attach ONE task at a time.
392 If you have several tasks to attach, you have to do it one after another:
393
394 # /bin/echo PID1 > tasks
395 # /bin/echo PID2 > tasks
396         ...
397 # /bin/echo PIDn > tasks
398
399
400 3. Questions
401 ============
402
403 Q: what's up with this '/bin/echo' ?
404 A: bash's builtin 'echo' command does not check calls to write() against
405    errors. If you use it in the cpuset file system, you won't be
406    able to tell whether a command succeeded or failed.
407
408 Q: When I attach processes, only the first of the line gets really attached !
409 A: We can only return one error code per call to write(). So you should also
410    put only ONE pid.
411
412 4. Contact
413 ==========
414
415 Web: http://www.bullopensource.org/cpuset