Merge branch 'merge' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/paulus/powerpc
[linux-2.6] / Documentation / vm / hugetlbpage.txt
1
2 The intent of this file is to give a brief summary of hugetlbpage support in
3 the Linux kernel.  This support is built on top of multiple page size support
4 that is provided by most modern architectures.  For example, i386
5 architecture supports 4K and 4M (2M in PAE mode) page sizes, ia64
6 architecture supports multiple page sizes 4K, 8K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M,
7 256M and ppc64 supports 4K and 16M.  A TLB is a cache of virtual-to-physical
8 translations.  Typically this is a very scarce resource on processor.
9 Operating systems try to make best use of limited number of TLB resources.
10 This optimization is more critical now as bigger and bigger physical memories
11 (several GBs) are more readily available.
12
13 Users can use the huge page support in Linux kernel by either using the mmap
14 system call or standard SYSv shared memory system calls (shmget, shmat).
15
16 First the Linux kernel needs to be built with the CONFIG_HUGETLBFS
17 (present under "File systems") and CONFIG_HUGETLB_PAGE (selected
18 automatically when CONFIG_HUGETLBFS is selected) configuration
19 options.
20
21 The kernel built with hugepage support should show the number of configured
22 hugepages in the system by running the "cat /proc/meminfo" command.
23
24 /proc/meminfo also provides information about the total number of hugetlb
25 pages configured in the kernel.  It also displays information about the
26 number of free hugetlb pages at any time.  It also displays information about
27 the configured hugepage size - this is needed for generating the proper
28 alignment and size of the arguments to the above system calls.
29
30 The output of "cat /proc/meminfo" will have lines like:
31
32 .....
33 HugePages_Total: vvv
34 HugePages_Free:  www
35 HugePages_Rsvd:  xxx
36 HugePages_Surp:  yyy
37 Hugepagesize:    zzz kB
38
39 where:
40 HugePages_Total is the size of the pool of hugepages.
41 HugePages_Free is the number of hugepages in the pool that are not yet
42 allocated.
43 HugePages_Rsvd is short for "reserved," and is the number of hugepages
44 for which a commitment to allocate from the pool has been made, but no
45 allocation has yet been made. It's vaguely analogous to overcommit.
46 HugePages_Surp is short for "surplus," and is the number of hugepages in
47 the pool above the value in /proc/sys/vm/nr_hugepages. The maximum
48 number of surplus hugepages is controlled by
49 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages.
50
51 /proc/filesystems should also show a filesystem of type "hugetlbfs" configured
52 in the kernel.
53
54 /proc/sys/vm/nr_hugepages indicates the current number of configured hugetlb
55 pages in the kernel.  Super user can dynamically request more (or free some
56 pre-configured) hugepages.
57 The allocation (or deallocation) of hugetlb pages is possible only if there are
58 enough physically contiguous free pages in system (freeing of hugepages is
59 possible only if there are enough hugetlb pages free that can be transferred
60 back to regular memory pool).
61
62 Pages that are used as hugetlb pages are reserved inside the kernel and cannot
63 be used for other purposes.
64
65 Once the kernel with Hugetlb page support is built and running, a user can
66 use either the mmap system call or shared memory system calls to start using
67 the huge pages.  It is required that the system administrator preallocate
68 enough memory for huge page purposes.
69
70 Use the following command to dynamically allocate/deallocate hugepages:
71
72         echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
73
74 This command will try to configure 20 hugepages in the system.  The success
75 or failure of allocation depends on the amount of physically contiguous
76 memory that is preset in system at this time.  System administrators may want
77 to put this command in one of the local rc init files.  This will enable the
78 kernel to request huge pages early in the boot process (when the possibility
79 of getting physical contiguous pages is still very high). In either
80 case, adminstrators will want to verify the number of hugepages actually
81 allocated by checking the sysctl or meminfo.
82
83 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages indicates how large the pool of
84 hugepages can grow, if more hugepages than /proc/sys/vm/nr_hugepages are
85 requested by applications. echo'ing any non-zero value into this file
86 indicates that the hugetlb subsystem is allowed to try to obtain
87 hugepages from the buddy allocator, if the normal pool is exhausted. As
88 these surplus hugepages go out of use, they are freed back to the buddy
89 allocator.
90
91 Caveat: Shrinking the pool via nr_hugepages while a surplus is in effect
92 will allow the number of surplus huge pages to exceed the overcommit
93 value, as the pool hugepages (which must have been in use for a surplus
94 hugepages to be allocated) will become surplus hugepages.  As long as
95 this condition holds, however, no more surplus huge pages will be
96 allowed on the system until one of the two sysctls are increased
97 sufficiently, or the surplus huge pages go out of use and are freed.
98
99 If the user applications are going to request hugepages using mmap system
100 call, then it is required that system administrator mount a file system of
101 type hugetlbfs:
102
103   mount -t hugetlbfs \
104         -o uid=<value>,gid=<value>,mode=<value>,size=<value>,nr_inodes=<value> \
105         none /mnt/huge
106
107 This command mounts a (pseudo) filesystem of type hugetlbfs on the directory
108 /mnt/huge.  Any files created on /mnt/huge uses hugepages.  The uid and gid
109 options sets the owner and group of the root of the file system.  By default
110 the uid and gid of the current process are taken.  The mode option sets the
111 mode of root of file system to value & 0777.  This value is given in octal.
112 By default the value 0755 is picked. The size option sets the maximum value of
113 memory (huge pages) allowed for that filesystem (/mnt/huge). The size is
114 rounded down to HPAGE_SIZE.  The option nr_inodes sets the maximum number of
115 inodes that /mnt/huge can use.  If the size or nr_inodes option is not
116 provided on command line then no limits are set.  For size and nr_inodes
117 options, you can use [G|g]/[M|m]/[K|k] to represent giga/mega/kilo. For
118 example, size=2K has the same meaning as size=2048.
119
120 While read system calls are supported on files that reside on hugetlb
121 file systems, write system calls are not.
122
123 Regular chown, chgrp, and chmod commands (with right permissions) could be
124 used to change the file attributes on hugetlbfs.
125
126 Also, it is important to note that no such mount command is required if the
127 applications are going to use only shmat/shmget system calls.  Users who
128 wish to use hugetlb page via shared memory segment should be a member of
129 a supplementary group and system admin needs to configure that gid into
130 /proc/sys/vm/hugetlb_shm_group.  It is possible for same or different
131 applications to use any combination of mmaps and shm* calls, though the
132 mount of filesystem will be required for using mmap calls.
133
134 *******************************************************************
135
136 /*
137  * Example of using hugepage memory in a user application using Sys V shared
138  * memory system calls.  In this example the app is requesting 256MB of
139  * memory that is backed by huge pages.  The application uses the flag
140  * SHM_HUGETLB in the shmget system call to inform the kernel that it is
141  * requesting hugepages.
142  *
143  * For the ia64 architecture, the Linux kernel reserves Region number 4 for
144  * hugepages.  That means the addresses starting with 0x800000... will need
145  * to be specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64,
146  * i386 or x86_64.
147  *
148  * Note: The default shared memory limit is quite low on many kernels,
149  * you may need to increase it via:
150  *
151  * echo 268435456 > /proc/sys/kernel/shmmax
152  *
153  * This will increase the maximum size per shared memory segment to 256MB.
154  * The other limit that you will hit eventually is shmall which is the
155  * total amount of shared memory in pages. To set it to 16GB on a system
156  * with a 4kB pagesize do:
157  *
158  * echo 4194304 > /proc/sys/kernel/shmall
159  */
160 #include <stdlib.h>
161 #include <stdio.h>
162 #include <sys/types.h>
163 #include <sys/ipc.h>
164 #include <sys/shm.h>
165 #include <sys/mman.h>
166
167 #ifndef SHM_HUGETLB
168 #define SHM_HUGETLB 04000
169 #endif
170
171 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
172
173 #define dprintf(x)  printf(x)
174
175 /* Only ia64 requires this */
176 #ifdef __ia64__
177 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
178 #define SHMAT_FLAGS (SHM_RND)
179 #else
180 #define ADDR (void *)(0x0UL)
181 #define SHMAT_FLAGS (0)
182 #endif
183
184 int main(void)
185 {
186         int shmid;
187         unsigned long i;
188         char *shmaddr;
189
190         if ((shmid = shmget(2, LENGTH,
191                             SHM_HUGETLB | IPC_CREAT | SHM_R | SHM_W)) < 0) {
192                 perror("shmget");
193                 exit(1);
194         }
195         printf("shmid: 0x%x\n", shmid);
196
197         shmaddr = shmat(shmid, ADDR, SHMAT_FLAGS);
198         if (shmaddr == (char *)-1) {
199                 perror("Shared memory attach failure");
200                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
201                 exit(2);
202         }
203         printf("shmaddr: %p\n", shmaddr);
204
205         dprintf("Starting the writes:\n");
206         for (i = 0; i < LENGTH; i++) {
207                 shmaddr[i] = (char)(i);
208                 if (!(i % (1024 * 1024)))
209                         dprintf(".");
210         }
211         dprintf("\n");
212
213         dprintf("Starting the Check...");
214         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
215                 if (shmaddr[i] != (char)i)
216                         printf("\nIndex %lu mismatched\n", i);
217         dprintf("Done.\n");
218
219         if (shmdt((const void *)shmaddr) != 0) {
220                 perror("Detach failure");
221                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
222                 exit(3);
223         }
224
225         shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
226
227         return 0;
228 }
229
230 *******************************************************************
231
232 /*
233  * Example of using hugepage memory in a user application using the mmap
234  * system call.  Before running this application, make sure that the
235  * administrator has mounted the hugetlbfs filesystem (on some directory
236  * like /mnt) using the command mount -t hugetlbfs nodev /mnt. In this
237  * example, the app is requesting memory of size 256MB that is backed by
238  * huge pages.
239  *
240  * For ia64 architecture, Linux kernel reserves Region number 4 for hugepages.
241  * That means the addresses starting with 0x800000... will need to be
242  * specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64, i386
243  * or x86_64.
244  */
245 #include <stdlib.h>
246 #include <stdio.h>
247 #include <unistd.h>
248 #include <sys/mman.h>
249 #include <fcntl.h>
250
251 #define FILE_NAME "/mnt/hugepagefile"
252 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
253 #define PROTECTION (PROT_READ | PROT_WRITE)
254
255 /* Only ia64 requires this */
256 #ifdef __ia64__
257 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
258 #define FLAGS (MAP_SHARED | MAP_FIXED)
259 #else
260 #define ADDR (void *)(0x0UL)
261 #define FLAGS (MAP_SHARED)
262 #endif
263
264 void check_bytes(char *addr)
265 {
266         printf("First hex is %x\n", *((unsigned int *)addr));
267 }
268
269 void write_bytes(char *addr)
270 {
271         unsigned long i;
272
273         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
274                 *(addr + i) = (char)i;
275 }
276
277 void read_bytes(char *addr)
278 {
279         unsigned long i;
280
281         check_bytes(addr);
282         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
283                 if (*(addr + i) != (char)i) {
284                         printf("Mismatch at %lu\n", i);
285                         break;
286                 }
287 }
288
289 int main(void)
290 {
291         void *addr;
292         int fd;
293
294         fd = open(FILE_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0755);
295         if (fd < 0) {
296                 perror("Open failed");
297                 exit(1);
298         }
299
300         addr = mmap(ADDR, LENGTH, PROTECTION, FLAGS, fd, 0);
301         if (addr == MAP_FAILED) {
302                 perror("mmap");
303                 unlink(FILE_NAME);
304                 exit(1);
305         }
306
307         printf("Returned address is %p\n", addr);
308         check_bytes(addr);
309         write_bytes(addr);
310         read_bytes(addr);
311
312         munmap(addr, LENGTH);
313         close(fd);
314         unlink(FILE_NAME);
315
316         return 0;
317 }