thp: allocate memory in khugepaged outside of mmap_sem write mode
[linux-2.6.git] / mm / compaction.c
1 /*
2  * linux/mm/compaction.c
3  *
4  * Memory compaction for the reduction of external fragmentation. Note that
5  * this heavily depends upon page migration to do all the real heavy
6  * lifting
7  *
8  * Copyright IBM Corp. 2007-2010 Mel Gorman <mel@csn.ul.ie>
9  */
10 #include <linux/swap.h>
11 #include <linux/migrate.h>
12 #include <linux/compaction.h>
13 #include <linux/mm_inline.h>
14 #include <linux/backing-dev.h>
15 #include <linux/sysctl.h>
16 #include <linux/sysfs.h>
17 #include "internal.h"
18
19 #define CREATE_TRACE_POINTS
20 #include <trace/events/compaction.h>
21
22 /*
23  * compact_control is used to track pages being migrated and the free pages
24  * they are being migrated to during memory compaction. The free_pfn starts
25  * at the end of a zone and migrate_pfn begins at the start. Movable pages
26  * are moved to the end of a zone during a compaction run and the run
27  * completes when free_pfn <= migrate_pfn
28  */
29 struct compact_control {
30         struct list_head freepages;     /* List of free pages to migrate to */
31         struct list_head migratepages;  /* List of pages being migrated */
32         unsigned long nr_freepages;     /* Number of isolated free pages */
33         unsigned long nr_migratepages;  /* Number of pages to migrate */
34         unsigned long free_pfn;         /* isolate_freepages search base */
35         unsigned long migrate_pfn;      /* isolate_migratepages search base */
36         bool sync;                      /* Synchronous migration */
37
38         /* Account for isolated anon and file pages */
39         unsigned long nr_anon;
40         unsigned long nr_file;
41
42         unsigned int order;             /* order a direct compactor needs */
43         int migratetype;                /* MOVABLE, RECLAIMABLE etc */
44         struct zone *zone;
45 };
46
47 static unsigned long release_freepages(struct list_head *freelist)
48 {
49         struct page *page, *next;
50         unsigned long count = 0;
51
52         list_for_each_entry_safe(page, next, freelist, lru) {
53                 list_del(&page->lru);
54                 __free_page(page);
55                 count++;
56         }
57
58         return count;
59 }
60
61 /* Isolate free pages onto a private freelist. Must hold zone->lock */
62 static unsigned long isolate_freepages_block(struct zone *zone,
63                                 unsigned long blockpfn,
64                                 struct list_head *freelist)
65 {
66         unsigned long zone_end_pfn, end_pfn;
67         int nr_scanned = 0, total_isolated = 0;
68         struct page *cursor;
69
70         /* Get the last PFN we should scan for free pages at */
71         zone_end_pfn = zone->zone_start_pfn + zone->spanned_pages;
72         end_pfn = min(blockpfn + pageblock_nr_pages, zone_end_pfn);
73
74         /* Find the first usable PFN in the block to initialse page cursor */
75         for (; blockpfn < end_pfn; blockpfn++) {
76                 if (pfn_valid_within(blockpfn))
77                         break;
78         }
79         cursor = pfn_to_page(blockpfn);
80
81         /* Isolate free pages. This assumes the block is valid */
82         for (; blockpfn < end_pfn; blockpfn++, cursor++) {
83                 int isolated, i;
84                 struct page *page = cursor;
85
86                 if (!pfn_valid_within(blockpfn))
87                         continue;
88                 nr_scanned++;
89
90                 if (!PageBuddy(page))
91                         continue;
92
93                 /* Found a free page, break it into order-0 pages */
94                 isolated = split_free_page(page);
95                 total_isolated += isolated;
96                 for (i = 0; i < isolated; i++) {
97                         list_add(&page->lru, freelist);
98                         page++;
99                 }
100
101                 /* If a page was split, advance to the end of it */
102                 if (isolated) {
103                         blockpfn += isolated - 1;
104                         cursor += isolated - 1;
105                 }
106         }
107
108         trace_mm_compaction_isolate_freepages(nr_scanned, total_isolated);
109         return total_isolated;
110 }
111
112 /* Returns true if the page is within a block suitable for migration to */
113 static bool suitable_migration_target(struct page *page)
114 {
115
116         int migratetype = get_pageblock_migratetype(page);
117
118         /* Don't interfere with memory hot-remove or the min_free_kbytes blocks */
119         if (migratetype == MIGRATE_ISOLATE || migratetype == MIGRATE_RESERVE)
120                 return false;
121
122         /* If the page is a large free page, then allow migration */
123         if (PageBuddy(page) && page_order(page) >= pageblock_order)
124                 return true;
125
126         /* If the block is MIGRATE_MOVABLE, allow migration */
127         if (migratetype == MIGRATE_MOVABLE)
128                 return true;
129
130         /* Otherwise skip the block */
131         return false;
132 }
133
134 /*
135  * Based on information in the current compact_control, find blocks
136  * suitable for isolating free pages from and then isolate them.
137  */
138 static void isolate_freepages(struct zone *zone,
139                                 struct compact_control *cc)
140 {
141         struct page *page;
142         unsigned long high_pfn, low_pfn, pfn;
143         unsigned long flags;
144         int nr_freepages = cc->nr_freepages;
145         struct list_head *freelist = &cc->freepages;
146
147         pfn = cc->free_pfn;
148         low_pfn = cc->migrate_pfn + pageblock_nr_pages;
149         high_pfn = low_pfn;
150
151         /*
152          * Isolate free pages until enough are available to migrate the
153          * pages on cc->migratepages. We stop searching if the migrate
154          * and free page scanners meet or enough free pages are isolated.
155          */
156         spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
157         for (; pfn > low_pfn && cc->nr_migratepages > nr_freepages;
158                                         pfn -= pageblock_nr_pages) {
159                 unsigned long isolated;
160
161                 if (!pfn_valid(pfn))
162                         continue;
163
164                 /*
165                  * Check for overlapping nodes/zones. It's possible on some
166                  * configurations to have a setup like
167                  * node0 node1 node0
168                  * i.e. it's possible that all pages within a zones range of
169                  * pages do not belong to a single zone.
170                  */
171                 page = pfn_to_page(pfn);
172                 if (page_zone(page) != zone)
173                         continue;
174
175                 /* Check the block is suitable for migration */
176                 if (!suitable_migration_target(page))
177                         continue;
178
179                 /* Found a block suitable for isolating free pages from */
180                 isolated = isolate_freepages_block(zone, pfn, freelist);
181                 nr_freepages += isolated;
182
183                 /*
184                  * Record the highest PFN we isolated pages from. When next
185                  * looking for free pages, the search will restart here as
186                  * page migration may have returned some pages to the allocator
187                  */
188                 if (isolated)
189                         high_pfn = max(high_pfn, pfn);
190         }
191         spin_unlock_irqrestore(&zone->lock, flags);
192
193         /* split_free_page does not map the pages */
194         list_for_each_entry(page, freelist, lru) {
195                 arch_alloc_page(page, 0);
196                 kernel_map_pages(page, 1, 1);
197         }
198
199         cc->free_pfn = high_pfn;
200         cc->nr_freepages = nr_freepages;
201 }
202
203 /* Update the number of anon and file isolated pages in the zone */
204 static void acct_isolated(struct zone *zone, struct compact_control *cc)
205 {
206         struct page *page;
207         unsigned int count[NR_LRU_LISTS] = { 0, };
208
209         list_for_each_entry(page, &cc->migratepages, lru) {
210                 int lru = page_lru_base_type(page);
211                 count[lru]++;
212         }
213
214         cc->nr_anon = count[LRU_ACTIVE_ANON] + count[LRU_INACTIVE_ANON];
215         cc->nr_file = count[LRU_ACTIVE_FILE] + count[LRU_INACTIVE_FILE];
216         __mod_zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_ANON, cc->nr_anon);
217         __mod_zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_FILE, cc->nr_file);
218 }
219
220 /* Similar to reclaim, but different enough that they don't share logic */
221 static bool too_many_isolated(struct zone *zone)
222 {
223         unsigned long active, inactive, isolated;
224
225         inactive = zone_page_state(zone, NR_INACTIVE_FILE) +
226                                         zone_page_state(zone, NR_INACTIVE_ANON);
227         active = zone_page_state(zone, NR_ACTIVE_FILE) +
228                                         zone_page_state(zone, NR_ACTIVE_ANON);
229         isolated = zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_FILE) +
230                                         zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_ANON);
231
232         return isolated > (inactive + active) / 2;
233 }
234
235 /*
236  * Isolate all pages that can be migrated from the block pointed to by
237  * the migrate scanner within compact_control.
238  */
239 static unsigned long isolate_migratepages(struct zone *zone,
240                                         struct compact_control *cc)
241 {
242         unsigned long low_pfn, end_pfn;
243         unsigned long last_pageblock_nr = 0, pageblock_nr;
244         unsigned long nr_scanned = 0, nr_isolated = 0;
245         struct list_head *migratelist = &cc->migratepages;
246
247         /* Do not scan outside zone boundaries */
248         low_pfn = max(cc->migrate_pfn, zone->zone_start_pfn);
249
250         /* Only scan within a pageblock boundary */
251         end_pfn = ALIGN(low_pfn + pageblock_nr_pages, pageblock_nr_pages);
252
253         /* Do not cross the free scanner or scan within a memory hole */
254         if (end_pfn > cc->free_pfn || !pfn_valid(low_pfn)) {
255                 cc->migrate_pfn = end_pfn;
256                 return 0;
257         }
258
259         /*
260          * Ensure that there are not too many pages isolated from the LRU
261          * list by either parallel reclaimers or compaction. If there are,
262          * delay for some time until fewer pages are isolated
263          */
264         while (unlikely(too_many_isolated(zone))) {
265                 congestion_wait(BLK_RW_ASYNC, HZ/10);
266
267                 if (fatal_signal_pending(current))
268                         return 0;
269         }
270
271         /* Time to isolate some pages for migration */
272         spin_lock_irq(&zone->lru_lock);
273         for (; low_pfn < end_pfn; low_pfn++) {
274                 struct page *page;
275                 if (!pfn_valid_within(low_pfn))
276                         continue;
277                 nr_scanned++;
278
279                 /* Get the page and skip if free */
280                 page = pfn_to_page(low_pfn);
281                 if (PageBuddy(page))
282                         continue;
283
284                 /*
285                  * For async migration, also only scan in MOVABLE blocks. Async
286                  * migration is optimistic to see if the minimum amount of work
287                  * satisfies the allocation
288                  */
289                 pageblock_nr = low_pfn >> pageblock_order;
290                 if (!cc->sync && last_pageblock_nr != pageblock_nr &&
291                                 get_pageblock_migratetype(page) != MIGRATE_MOVABLE) {
292                         low_pfn += pageblock_nr_pages;
293                         low_pfn = ALIGN(low_pfn, pageblock_nr_pages) - 1;
294                         last_pageblock_nr = pageblock_nr;
295                         continue;
296                 }
297
298                 /* Try isolate the page */
299                 if (__isolate_lru_page(page, ISOLATE_BOTH, 0) != 0)
300                         continue;
301
302                 /* Successfully isolated */
303                 del_page_from_lru_list(zone, page, page_lru(page));
304                 list_add(&page->lru, migratelist);
305                 cc->nr_migratepages++;
306                 nr_isolated++;
307
308                 /* Avoid isolating too much */
309                 if (cc->nr_migratepages == COMPACT_CLUSTER_MAX)
310                         break;
311         }
312
313         acct_isolated(zone, cc);
314
315         spin_unlock_irq(&zone->lru_lock);
316         cc->migrate_pfn = low_pfn;
317
318         trace_mm_compaction_isolate_migratepages(nr_scanned, nr_isolated);
319
320         return cc->nr_migratepages;
321 }
322
323 /*
324  * This is a migrate-callback that "allocates" freepages by taking pages
325  * from the isolated freelists in the block we are migrating to.
326  */
327 static struct page *compaction_alloc(struct page *migratepage,
328                                         unsigned long data,
329                                         int **result)
330 {
331         struct compact_control *cc = (struct compact_control *)data;
332         struct page *freepage;
333
334         /* Isolate free pages if necessary */
335         if (list_empty(&cc->freepages)) {
336                 isolate_freepages(cc->zone, cc);
337
338                 if (list_empty(&cc->freepages))
339                         return NULL;
340         }
341
342         freepage = list_entry(cc->freepages.next, struct page, lru);
343         list_del(&freepage->lru);
344         cc->nr_freepages--;
345
346         return freepage;
347 }
348
349 /*
350  * We cannot control nr_migratepages and nr_freepages fully when migration is
351  * running as migrate_pages() has no knowledge of compact_control. When
352  * migration is complete, we count the number of pages on the lists by hand.
353  */
354 static void update_nr_listpages(struct compact_control *cc)
355 {
356         int nr_migratepages = 0;
357         int nr_freepages = 0;
358         struct page *page;
359
360         list_for_each_entry(page, &cc->migratepages, lru)
361                 nr_migratepages++;
362         list_for_each_entry(page, &cc->freepages, lru)
363                 nr_freepages++;
364
365         cc->nr_migratepages = nr_migratepages;
366         cc->nr_freepages = nr_freepages;
367 }
368
369 static int compact_finished(struct zone *zone,
370                                                 struct compact_control *cc)
371 {
372         unsigned int order;
373         unsigned long watermark = low_wmark_pages(zone) + (1 << cc->order);
374
375         if (fatal_signal_pending(current))
376                 return COMPACT_PARTIAL;
377
378         /* Compaction run completes if the migrate and free scanner meet */
379         if (cc->free_pfn <= cc->migrate_pfn)
380                 return COMPACT_COMPLETE;
381
382         /* Compaction run is not finished if the watermark is not met */
383         if (!zone_watermark_ok(zone, cc->order, watermark, 0, 0))
384                 return COMPACT_CONTINUE;
385
386         if (cc->order == -1)
387                 return COMPACT_CONTINUE;
388
389         /* Direct compactor: Is a suitable page free? */
390         for (order = cc->order; order < MAX_ORDER; order++) {
391                 /* Job done if page is free of the right migratetype */
392                 if (!list_empty(&zone->free_area[order].free_list[cc->migratetype]))
393                         return COMPACT_PARTIAL;
394
395                 /* Job done if allocation would set block type */
396                 if (order >= pageblock_order && zone->free_area[order].nr_free)
397                         return COMPACT_PARTIAL;
398         }
399
400         return COMPACT_CONTINUE;
401 }
402
403 /*
404  * compaction_suitable: Is this suitable to run compaction on this zone now?
405  * Returns
406  *   COMPACT_SKIPPED  - If there are too few free pages for compaction
407  *   COMPACT_PARTIAL  - If the allocation would succeed without compaction
408  *   COMPACT_CONTINUE - If compaction should run now
409  */
410 unsigned long compaction_suitable(struct zone *zone, int order)
411 {
412         int fragindex;
413         unsigned long watermark;
414
415         /*
416          * Watermarks for order-0 must be met for compaction. Note the 2UL.
417          * This is because during migration, copies of pages need to be
418          * allocated and for a short time, the footprint is higher
419          */
420         watermark = low_wmark_pages(zone) + (2UL << order);
421         if (!zone_watermark_ok(zone, 0, watermark, 0, 0))
422                 return COMPACT_SKIPPED;
423
424         /*
425          * fragmentation index determines if allocation failures are due to
426          * low memory or external fragmentation
427          *
428          * index of -1 implies allocations might succeed dependingon watermarks
429          * index towards 0 implies failure is due to lack of memory
430          * index towards 1000 implies failure is due to fragmentation
431          *
432          * Only compact if a failure would be due to fragmentation.
433          */
434         fragindex = fragmentation_index(zone, order);
435         if (fragindex >= 0 && fragindex <= sysctl_extfrag_threshold)
436                 return COMPACT_SKIPPED;
437
438         if (fragindex == -1 && zone_watermark_ok(zone, order, watermark, 0, 0))
439                 return COMPACT_PARTIAL;
440
441         return COMPACT_CONTINUE;
442 }
443
444 static int compact_zone(struct zone *zone, struct compact_control *cc)
445 {
446         int ret;
447
448         ret = compaction_suitable(zone, cc->order);
449         switch (ret) {
450         case COMPACT_PARTIAL:
451         case COMPACT_SKIPPED:
452                 /* Compaction is likely to fail */
453                 return ret;
454         case COMPACT_CONTINUE:
455                 /* Fall through to compaction */
456                 ;
457         }
458
459         /* Setup to move all movable pages to the end of the zone */
460         cc->migrate_pfn = zone->zone_start_pfn;
461         cc->free_pfn = cc->migrate_pfn + zone->spanned_pages;
462         cc->free_pfn &= ~(pageblock_nr_pages-1);
463
464         migrate_prep_local();
465
466         while ((ret = compact_finished(zone, cc)) == COMPACT_CONTINUE) {
467                 unsigned long nr_migrate, nr_remaining;
468
469                 if (!isolate_migratepages(zone, cc))
470                         continue;
471
472                 nr_migrate = cc->nr_migratepages;
473                 migrate_pages(&cc->migratepages, compaction_alloc,
474                                 (unsigned long)cc, false,
475                                 cc->sync);
476                 update_nr_listpages(cc);
477                 nr_remaining = cc->nr_migratepages;
478
479                 count_vm_event(COMPACTBLOCKS);
480                 count_vm_events(COMPACTPAGES, nr_migrate - nr_remaining);
481                 if (nr_remaining)
482                         count_vm_events(COMPACTPAGEFAILED, nr_remaining);
483                 trace_mm_compaction_migratepages(nr_migrate - nr_remaining,
484                                                 nr_remaining);
485
486                 /* Release LRU pages not migrated */
487                 if (!list_empty(&cc->migratepages)) {
488                         putback_lru_pages(&cc->migratepages);
489                         cc->nr_migratepages = 0;
490                 }
491
492         }
493
494         /* Release free pages and check accounting */
495         cc->nr_freepages -= release_freepages(&cc->freepages);
496         VM_BUG_ON(cc->nr_freepages != 0);
497
498         return ret;
499 }
500
501 unsigned long compact_zone_order(struct zone *zone,
502                                                 int order, gfp_t gfp_mask,
503                                                 bool sync)
504 {
505         struct compact_control cc = {
506                 .nr_freepages = 0,
507                 .nr_migratepages = 0,
508                 .order = order,
509                 .migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask),
510                 .zone = zone,
511                 .sync = sync,
512         };
513         INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
514         INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
515
516         return compact_zone(zone, &cc);
517 }
518
519 int sysctl_extfrag_threshold = 500;
520
521 /**
522  * try_to_compact_pages - Direct compact to satisfy a high-order allocation
523  * @zonelist: The zonelist used for the current allocation
524  * @order: The order of the current allocation
525  * @gfp_mask: The GFP mask of the current allocation
526  * @nodemask: The allowed nodes to allocate from
527  * @sync: Whether migration is synchronous or not
528  *
529  * This is the main entry point for direct page compaction.
530  */
531 unsigned long try_to_compact_pages(struct zonelist *zonelist,
532                         int order, gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask,
533                         bool sync)
534 {
535         enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);
536         int may_enter_fs = gfp_mask & __GFP_FS;
537         int may_perform_io = gfp_mask & __GFP_IO;
538         struct zoneref *z;
539         struct zone *zone;
540         int rc = COMPACT_SKIPPED;
541
542         /*
543          * Check whether it is worth even starting compaction. The order check is
544          * made because an assumption is made that the page allocator can satisfy
545          * the "cheaper" orders without taking special steps
546          */
547         if (order <= PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER || !may_enter_fs || !may_perform_io)
548                 return rc;
549
550         count_vm_event(COMPACTSTALL);
551
552         /* Compact each zone in the list */
553         for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist, high_zoneidx,
554                                                                 nodemask) {
555                 int status;
556
557                 status = compact_zone_order(zone, order, gfp_mask, sync);
558                 rc = max(status, rc);
559
560                 /* If a normal allocation would succeed, stop compacting */
561                 if (zone_watermark_ok(zone, order, low_wmark_pages(zone), 0, 0))
562                         break;
563         }
564
565         return rc;
566 }
567
568
569 /* Compact all zones within a node */
570 static int compact_node(int nid)
571 {
572         int zoneid;
573         pg_data_t *pgdat;
574         struct zone *zone;
575
576         if (nid < 0 || nid >= nr_node_ids || !node_online(nid))
577                 return -EINVAL;
578         pgdat = NODE_DATA(nid);
579
580         /* Flush pending updates to the LRU lists */
581         lru_add_drain_all();
582
583         for (zoneid = 0; zoneid < MAX_NR_ZONES; zoneid++) {
584                 struct compact_control cc = {
585                         .nr_freepages = 0,
586                         .nr_migratepages = 0,
587                         .order = -1,
588                 };
589
590                 zone = &pgdat->node_zones[zoneid];
591                 if (!populated_zone(zone))
592                         continue;
593
594                 cc.zone = zone;
595                 INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
596                 INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
597
598                 compact_zone(zone, &cc);
599
600                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.freepages));
601                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.migratepages));
602         }
603
604         return 0;
605 }
606
607 /* Compact all nodes in the system */
608 static int compact_nodes(void)
609 {
610         int nid;
611
612         for_each_online_node(nid)
613                 compact_node(nid);
614
615         return COMPACT_COMPLETE;
616 }
617
618 /* The written value is actually unused, all memory is compacted */
619 int sysctl_compact_memory;
620
621 /* This is the entry point for compacting all nodes via /proc/sys/vm */
622 int sysctl_compaction_handler(struct ctl_table *table, int write,
623                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
624 {
625         if (write)
626                 return compact_nodes();
627
628         return 0;
629 }
630
631 int sysctl_extfrag_handler(struct ctl_table *table, int write,
632                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
633 {
634         proc_dointvec_minmax(table, write, buffer, length, ppos);
635
636         return 0;
637 }
638
639 #if defined(CONFIG_SYSFS) && defined(CONFIG_NUMA)
640 ssize_t sysfs_compact_node(struct sys_device *dev,
641                         struct sysdev_attribute *attr,
642                         const char *buf, size_t count)
643 {
644         compact_node(dev->id);
645
646         return count;
647 }
648 static SYSDEV_ATTR(compact, S_IWUSR, NULL, sysfs_compact_node);
649
650 int compaction_register_node(struct node *node)
651 {
652         return sysdev_create_file(&node->sysdev, &attr_compact);
653 }
654
655 void compaction_unregister_node(struct node *node)
656 {
657         return sysdev_remove_file(&node->sysdev, &attr_compact);
658 }
659 #endif /* CONFIG_SYSFS && CONFIG_NUMA */