hugetlb: clean up and update huge pages documentation
[safe/jmp/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 huge page support should show the number of configured
22 huge pages 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 huge page 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 huge pages.
41 HugePages_Free  is the number of huge pages in the pool that are not yet
42                 allocated.
43 HugePages_Rsvd  is short for "reserved," and is the number of huge pages for
44                 which a commitment to allocate from the pool has been made,
45                 but no allocation has yet been made.  Reserved huge pages
46                 guarantee that an application will be able to allocate a
47                 huge page from the pool of huge pages at fault time.
48 HugePages_Surp  is short for "surplus," and is the number of huge pages in
49                 the pool above the value in /proc/sys/vm/nr_hugepages. The
50                 maximum number of surplus huge pages is controlled by
51                 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages.
52
53 /proc/filesystems should also show a filesystem of type "hugetlbfs" configured
54 in the kernel.
55
56 /proc/sys/vm/nr_hugepages indicates the current number of configured hugetlb
57 pages in the kernel.  Super user can dynamically request more (or free some
58 pre-configured) huge pages.
59 The allocation (or deallocation) of hugetlb pages is possible only if there are
60 enough physically contiguous free pages in system (freeing of huge pages is
61 possible only if there are enough hugetlb pages free that can be transferred
62 back to regular memory pool).
63
64 Pages that are used as hugetlb pages are reserved inside the kernel and cannot
65 be used for other purposes.
66
67 Once the kernel with Hugetlb page support is built and running, a user can
68 use either the mmap system call or shared memory system calls to start using
69 the huge pages.  It is required that the system administrator preallocate
70 enough memory for huge page purposes.
71
72 The administrator can preallocate huge pages on the kernel boot command line by
73 specifying the "hugepages=N" parameter, where 'N' = the number of huge pages
74 requested.  This is the most reliable method for preallocating huge pages as
75 memory has not yet become fragmented.
76
77 Some platforms support multiple huge page sizes.  To preallocate huge pages
78 of a specific size, one must preceed the huge pages boot command parameters
79 with a huge page size selection parameter "hugepagesz=<size>".  <size> must
80 be specified in bytes with optional scale suffix [kKmMgG].  The default huge
81 page size may be selected with the "default_hugepagesz=<size>" boot parameter.
82
83 /proc/sys/vm/nr_hugepages indicates the current number of configured [default
84 size] hugetlb pages in the kernel.  Super user can dynamically request more
85 (or free some pre-configured) huge pages.
86
87 Use the following command to dynamically allocate/deallocate default sized
88 huge pages:
89
90         echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
91
92 This command will try to configure 20 default sized huge pages in the system.
93 On a NUMA platform, the kernel will attempt to distribute the huge page pool
94 over the all on-line nodes.  These huge pages, allocated when nr_hugepages
95 is increased, are called "persistent huge pages".
96
97 The success or failure of huge page allocation depends on the amount of
98 physically contiguous memory that is preset in system at the time of the
99 allocation attempt.  If the kernel is unable to allocate huge pages from
100 some nodes in a NUMA system, it will attempt to make up the difference by
101 allocating extra pages on other nodes with sufficient available contiguous
102 memory, if any.
103
104 System administrators may want to put this command in one of the local rc init
105 files.  This will enable the kernel to request huge pages early in the boot
106 process when the possibility of getting physical contiguous pages is still
107 very high.  Administrators can verify the number of huge pages actually
108 allocated by checking the sysctl or meminfo.  To check the per node
109 distribution of huge pages in a NUMA system, use:
110
111         cat /sys/devices/system/node/node*/meminfo | fgrep Huge
112
113 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages specifies how large the pool of
114 huge pages can grow, if more huge pages than /proc/sys/vm/nr_hugepages are
115 requested by applications.  Writing any non-zero value into this file
116 indicates that the hugetlb subsystem is allowed to try to obtain "surplus"
117 huge pages from the buddy allocator, when the normal pool is exhausted. As
118 these surplus huge pages go out of use, they are freed back to the buddy
119 allocator.
120
121 When increasing the huge page pool size via nr_hugepages, any surplus
122 pages will first be promoted to persistent huge pages.  Then, additional
123 huge pages will be allocated, if necessary and if possible, to fulfill
124 the new huge page pool size.
125
126 The administrator may shrink the pool of preallocated huge pages for
127 the default huge page size by setting the nr_hugepages sysctl to a
128 smaller value.  The kernel will attempt to balance the freeing of huge pages
129 across all on-line nodes.  Any free huge pages on the selected nodes will
130 be freed back to the buddy allocator.
131
132 Caveat: Shrinking the pool via nr_hugepages such that it becomes less
133 than the number of huge pages in use will convert the balance to surplus
134 huge pages even if it would exceed the overcommit value.  As long as
135 this condition holds, however, no more surplus huge pages will be
136 allowed on the system until one of the two sysctls are increased
137 sufficiently, or the surplus huge pages go out of use and are freed.
138
139 With support for multiple huge page pools at run-time available, much of
140 the huge page userspace interface has been duplicated in sysfs. The above
141 information applies to the default huge page size which will be
142 controlled by the /proc interfaces for backwards compatibility. The root
143 huge page control directory in sysfs is:
144
145         /sys/kernel/mm/hugepages
146
147 For each huge page size supported by the running kernel, a subdirectory
148 will exist, of the form
149
150         hugepages-${size}kB
151
152 Inside each of these directories, the same set of files will exist:
153
154         nr_hugepages
155         nr_overcommit_hugepages
156         free_hugepages
157         resv_hugepages
158         surplus_hugepages
159
160 which function as described above for the default huge page-sized case.
161
162 If the user applications are going to request huge pages using mmap system
163 call, then it is required that system administrator mount a file system of
164 type hugetlbfs:
165
166   mount -t hugetlbfs \
167         -o uid=<value>,gid=<value>,mode=<value>,size=<value>,nr_inodes=<value> \
168         none /mnt/huge
169
170 This command mounts a (pseudo) filesystem of type hugetlbfs on the directory
171 /mnt/huge.  Any files created on /mnt/huge uses huge pages.  The uid and gid
172 options sets the owner and group of the root of the file system.  By default
173 the uid and gid of the current process are taken.  The mode option sets the
174 mode of root of file system to value & 0777.  This value is given in octal.
175 By default the value 0755 is picked. The size option sets the maximum value of
176 memory (huge pages) allowed for that filesystem (/mnt/huge). The size is
177 rounded down to HPAGE_SIZE.  The option nr_inodes sets the maximum number of
178 inodes that /mnt/huge can use.  If the size or nr_inodes option is not
179 provided on command line then no limits are set.  For size and nr_inodes
180 options, you can use [G|g]/[M|m]/[K|k] to represent giga/mega/kilo. For
181 example, size=2K has the same meaning as size=2048.
182
183 While read system calls are supported on files that reside on hugetlb
184 file systems, write system calls are not.
185
186 Regular chown, chgrp, and chmod commands (with right permissions) could be
187 used to change the file attributes on hugetlbfs.
188
189 Also, it is important to note that no such mount command is required if the
190 applications are going to use only shmat/shmget system calls.  Users who
191 wish to use hugetlb page via shared memory segment should be a member of
192 a supplementary group and system admin needs to configure that gid into
193 /proc/sys/vm/hugetlb_shm_group.  It is possible for same or different
194 applications to use any combination of mmaps and shm* calls, though the
195 mount of filesystem will be required for using mmap calls.
196
197 *******************************************************************
198
199 /*
200  * Example of using huge page memory in a user application using Sys V shared
201  * memory system calls.  In this example the app is requesting 256MB of
202  * memory that is backed by huge pages.  The application uses the flag
203  * SHM_HUGETLB in the shmget system call to inform the kernel that it is
204  * requesting huge pages.
205  *
206  * For the ia64 architecture, the Linux kernel reserves Region number 4 for
207  * huge pages.  That means the addresses starting with 0x800000... will need
208  * to be specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64,
209  * i386 or x86_64.
210  *
211  * Note: The default shared memory limit is quite low on many kernels,
212  * you may need to increase it via:
213  *
214  * echo 268435456 > /proc/sys/kernel/shmmax
215  *
216  * This will increase the maximum size per shared memory segment to 256MB.
217  * The other limit that you will hit eventually is shmall which is the
218  * total amount of shared memory in pages. To set it to 16GB on a system
219  * with a 4kB pagesize do:
220  *
221  * echo 4194304 > /proc/sys/kernel/shmall
222  */
223 #include <stdlib.h>
224 #include <stdio.h>
225 #include <sys/types.h>
226 #include <sys/ipc.h>
227 #include <sys/shm.h>
228 #include <sys/mman.h>
229
230 #ifndef SHM_HUGETLB
231 #define SHM_HUGETLB 04000
232 #endif
233
234 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
235
236 #define dprintf(x)  printf(x)
237
238 /* Only ia64 requires this */
239 #ifdef __ia64__
240 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
241 #define SHMAT_FLAGS (SHM_RND)
242 #else
243 #define ADDR (void *)(0x0UL)
244 #define SHMAT_FLAGS (0)
245 #endif
246
247 int main(void)
248 {
249         int shmid;
250         unsigned long i;
251         char *shmaddr;
252
253         if ((shmid = shmget(2, LENGTH,
254                             SHM_HUGETLB | IPC_CREAT | SHM_R | SHM_W)) < 0) {
255                 perror("shmget");
256                 exit(1);
257         }
258         printf("shmid: 0x%x\n", shmid);
259
260         shmaddr = shmat(shmid, ADDR, SHMAT_FLAGS);
261         if (shmaddr == (char *)-1) {
262                 perror("Shared memory attach failure");
263                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
264                 exit(2);
265         }
266         printf("shmaddr: %p\n", shmaddr);
267
268         dprintf("Starting the writes:\n");
269         for (i = 0; i < LENGTH; i++) {
270                 shmaddr[i] = (char)(i);
271                 if (!(i % (1024 * 1024)))
272                         dprintf(".");
273         }
274         dprintf("\n");
275
276         dprintf("Starting the Check...");
277         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
278                 if (shmaddr[i] != (char)i)
279                         printf("\nIndex %lu mismatched\n", i);
280         dprintf("Done.\n");
281
282         if (shmdt((const void *)shmaddr) != 0) {
283                 perror("Detach failure");
284                 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
285                 exit(3);
286         }
287
288         shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
289
290         return 0;
291 }
292
293 *******************************************************************
294
295 /*
296  * Example of using huge page memory in a user application using the mmap
297  * system call.  Before running this application, make sure that the
298  * administrator has mounted the hugetlbfs filesystem (on some directory
299  * like /mnt) using the command mount -t hugetlbfs nodev /mnt. In this
300  * example, the app is requesting memory of size 256MB that is backed by
301  * huge pages.
302  *
303  * For ia64 architecture, Linux kernel reserves Region number 4 for huge pages.
304  * That means the addresses starting with 0x800000... will need to be
305  * specified.  Specifying a fixed address is not required on ppc64, i386
306  * or x86_64.
307  */
308 #include <stdlib.h>
309 #include <stdio.h>
310 #include <unistd.h>
311 #include <sys/mman.h>
312 #include <fcntl.h>
313
314 #define FILE_NAME "/mnt/hugepagefile"
315 #define LENGTH (256UL*1024*1024)
316 #define PROTECTION (PROT_READ | PROT_WRITE)
317
318 /* Only ia64 requires this */
319 #ifdef __ia64__
320 #define ADDR (void *)(0x8000000000000000UL)
321 #define FLAGS (MAP_SHARED | MAP_FIXED)
322 #else
323 #define ADDR (void *)(0x0UL)
324 #define FLAGS (MAP_SHARED)
325 #endif
326
327 void check_bytes(char *addr)
328 {
329         printf("First hex is %x\n", *((unsigned int *)addr));
330 }
331
332 void write_bytes(char *addr)
333 {
334         unsigned long i;
335
336         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
337                 *(addr + i) = (char)i;
338 }
339
340 void read_bytes(char *addr)
341 {
342         unsigned long i;
343
344         check_bytes(addr);
345         for (i = 0; i < LENGTH; i++)
346                 if (*(addr + i) != (char)i) {
347                         printf("Mismatch at %lu\n", i);
348                         break;
349                 }
350 }
351
352 int main(void)
353 {
354         void *addr;
355         int fd;
356
357         fd = open(FILE_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0755);
358         if (fd < 0) {
359                 perror("Open failed");
360                 exit(1);
361         }
362
363         addr = mmap(ADDR, LENGTH, PROTECTION, FLAGS, fd, 0);
364         if (addr == MAP_FAILED) {
365                 perror("mmap");
366                 unlink(FILE_NAME);
367                 exit(1);
368         }
369
370         printf("Returned address is %p\n", addr);
371         check_bytes(addr);
372         write_bytes(addr);
373         read_bytes(addr);
374
375         munmap(addr, LENGTH);
376         close(fd);
377         unlink(FILE_NAME);
378
379         return 0;
380 }