mm: vmscan: reclaim order-0 and use compaction instead of lumpy reclaim
[linux-3.10.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
37         /* Account for isolated anon and file pages */
38         unsigned long nr_anon;
39         unsigned long nr_file;
40
41         unsigned int order;             /* order a direct compactor needs */
42         int migratetype;                /* MOVABLE, RECLAIMABLE etc */
43         struct zone *zone;
44 };
45
46 static unsigned long release_freepages(struct list_head *freelist)
47 {
48         struct page *page, *next;
49         unsigned long count = 0;
50
51         list_for_each_entry_safe(page, next, freelist, lru) {
52                 list_del(&page->lru);
53                 __free_page(page);
54                 count++;
55         }
56
57         return count;
58 }
59
60 /* Isolate free pages onto a private freelist. Must hold zone->lock */
61 static unsigned long isolate_freepages_block(struct zone *zone,
62                                 unsigned long blockpfn,
63                                 struct list_head *freelist)
64 {
65         unsigned long zone_end_pfn, end_pfn;
66         int nr_scanned = 0, total_isolated = 0;
67         struct page *cursor;
68
69         /* Get the last PFN we should scan for free pages at */
70         zone_end_pfn = zone->zone_start_pfn + zone->spanned_pages;
71         end_pfn = min(blockpfn + pageblock_nr_pages, zone_end_pfn);
72
73         /* Find the first usable PFN in the block to initialse page cursor */
74         for (; blockpfn < end_pfn; blockpfn++) {
75                 if (pfn_valid_within(blockpfn))
76                         break;
77         }
78         cursor = pfn_to_page(blockpfn);
79
80         /* Isolate free pages. This assumes the block is valid */
81         for (; blockpfn < end_pfn; blockpfn++, cursor++) {
82                 int isolated, i;
83                 struct page *page = cursor;
84
85                 if (!pfn_valid_within(blockpfn))
86                         continue;
87                 nr_scanned++;
88
89                 if (!PageBuddy(page))
90                         continue;
91
92                 /* Found a free page, break it into order-0 pages */
93                 isolated = split_free_page(page);
94                 total_isolated += isolated;
95                 for (i = 0; i < isolated; i++) {
96                         list_add(&page->lru, freelist);
97                         page++;
98                 }
99
100                 /* If a page was split, advance to the end of it */
101                 if (isolated) {
102                         blockpfn += isolated - 1;
103                         cursor += isolated - 1;
104                 }
105         }
106
107         trace_mm_compaction_isolate_freepages(nr_scanned, total_isolated);
108         return total_isolated;
109 }
110
111 /* Returns true if the page is within a block suitable for migration to */
112 static bool suitable_migration_target(struct page *page)
113 {
114
115         int migratetype = get_pageblock_migratetype(page);
116
117         /* Don't interfere with memory hot-remove or the min_free_kbytes blocks */
118         if (migratetype == MIGRATE_ISOLATE || migratetype == MIGRATE_RESERVE)
119                 return false;
120
121         /* If the page is a large free page, then allow migration */
122         if (PageBuddy(page) && page_order(page) >= pageblock_order)
123                 return true;
124
125         /* If the block is MIGRATE_MOVABLE, allow migration */
126         if (migratetype == MIGRATE_MOVABLE)
127                 return true;
128
129         /* Otherwise skip the block */
130         return false;
131 }
132
133 /*
134  * Based on information in the current compact_control, find blocks
135  * suitable for isolating free pages from and then isolate them.
136  */
137 static void isolate_freepages(struct zone *zone,
138                                 struct compact_control *cc)
139 {
140         struct page *page;
141         unsigned long high_pfn, low_pfn, pfn;
142         unsigned long flags;
143         int nr_freepages = cc->nr_freepages;
144         struct list_head *freelist = &cc->freepages;
145
146         pfn = cc->free_pfn;
147         low_pfn = cc->migrate_pfn + pageblock_nr_pages;
148         high_pfn = low_pfn;
149
150         /*
151          * Isolate free pages until enough are available to migrate the
152          * pages on cc->migratepages. We stop searching if the migrate
153          * and free page scanners meet or enough free pages are isolated.
154          */
155         spin_lock_irqsave(&zone->lock, flags);
156         for (; pfn > low_pfn && cc->nr_migratepages > nr_freepages;
157                                         pfn -= pageblock_nr_pages) {
158                 unsigned long isolated;
159
160                 if (!pfn_valid(pfn))
161                         continue;
162
163                 /*
164                  * Check for overlapping nodes/zones. It's possible on some
165                  * configurations to have a setup like
166                  * node0 node1 node0
167                  * i.e. it's possible that all pages within a zones range of
168                  * pages do not belong to a single zone.
169                  */
170                 page = pfn_to_page(pfn);
171                 if (page_zone(page) != zone)
172                         continue;
173
174                 /* Check the block is suitable for migration */
175                 if (!suitable_migration_target(page))
176                         continue;
177
178                 /* Found a block suitable for isolating free pages from */
179                 isolated = isolate_freepages_block(zone, pfn, freelist);
180                 nr_freepages += isolated;
181
182                 /*
183                  * Record the highest PFN we isolated pages from. When next
184                  * looking for free pages, the search will restart here as
185                  * page migration may have returned some pages to the allocator
186                  */
187                 if (isolated)
188                         high_pfn = max(high_pfn, pfn);
189         }
190         spin_unlock_irqrestore(&zone->lock, flags);
191
192         /* split_free_page does not map the pages */
193         list_for_each_entry(page, freelist, lru) {
194                 arch_alloc_page(page, 0);
195                 kernel_map_pages(page, 1, 1);
196         }
197
198         cc->free_pfn = high_pfn;
199         cc->nr_freepages = nr_freepages;
200 }
201
202 /* Update the number of anon and file isolated pages in the zone */
203 static void acct_isolated(struct zone *zone, struct compact_control *cc)
204 {
205         struct page *page;
206         unsigned int count[NR_LRU_LISTS] = { 0, };
207
208         list_for_each_entry(page, &cc->migratepages, lru) {
209                 int lru = page_lru_base_type(page);
210                 count[lru]++;
211         }
212
213         cc->nr_anon = count[LRU_ACTIVE_ANON] + count[LRU_INACTIVE_ANON];
214         cc->nr_file = count[LRU_ACTIVE_FILE] + count[LRU_INACTIVE_FILE];
215         __mod_zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_ANON, cc->nr_anon);
216         __mod_zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_FILE, cc->nr_file);
217 }
218
219 /* Similar to reclaim, but different enough that they don't share logic */
220 static bool too_many_isolated(struct zone *zone)
221 {
222         unsigned long active, inactive, isolated;
223
224         inactive = zone_page_state(zone, NR_INACTIVE_FILE) +
225                                         zone_page_state(zone, NR_INACTIVE_ANON);
226         active = zone_page_state(zone, NR_ACTIVE_FILE) +
227                                         zone_page_state(zone, NR_ACTIVE_ANON);
228         isolated = zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_FILE) +
229                                         zone_page_state(zone, NR_ISOLATED_ANON);
230
231         return isolated > (inactive + active) / 2;
232 }
233
234 /*
235  * Isolate all pages that can be migrated from the block pointed to by
236  * the migrate scanner within compact_control.
237  */
238 static unsigned long isolate_migratepages(struct zone *zone,
239                                         struct compact_control *cc)
240 {
241         unsigned long low_pfn, end_pfn;
242         unsigned long nr_scanned = 0, nr_isolated = 0;
243         struct list_head *migratelist = &cc->migratepages;
244
245         /* Do not scan outside zone boundaries */
246         low_pfn = max(cc->migrate_pfn, zone->zone_start_pfn);
247
248         /* Only scan within a pageblock boundary */
249         end_pfn = ALIGN(low_pfn + pageblock_nr_pages, pageblock_nr_pages);
250
251         /* Do not cross the free scanner or scan within a memory hole */
252         if (end_pfn > cc->free_pfn || !pfn_valid(low_pfn)) {
253                 cc->migrate_pfn = end_pfn;
254                 return 0;
255         }
256
257         /*
258          * Ensure that there are not too many pages isolated from the LRU
259          * list by either parallel reclaimers or compaction. If there are,
260          * delay for some time until fewer pages are isolated
261          */
262         while (unlikely(too_many_isolated(zone))) {
263                 congestion_wait(BLK_RW_ASYNC, HZ/10);
264
265                 if (fatal_signal_pending(current))
266                         return 0;
267         }
268
269         /* Time to isolate some pages for migration */
270         spin_lock_irq(&zone->lru_lock);
271         for (; low_pfn < end_pfn; low_pfn++) {
272                 struct page *page;
273                 if (!pfn_valid_within(low_pfn))
274                         continue;
275                 nr_scanned++;
276
277                 /* Get the page and skip if free */
278                 page = pfn_to_page(low_pfn);
279                 if (PageBuddy(page))
280                         continue;
281
282                 /* Try isolate the page */
283                 if (__isolate_lru_page(page, ISOLATE_BOTH, 0) != 0)
284                         continue;
285
286                 /* Successfully isolated */
287                 del_page_from_lru_list(zone, page, page_lru(page));
288                 list_add(&page->lru, migratelist);
289                 cc->nr_migratepages++;
290                 nr_isolated++;
291
292                 /* Avoid isolating too much */
293                 if (cc->nr_migratepages == COMPACT_CLUSTER_MAX)
294                         break;
295         }
296
297         acct_isolated(zone, cc);
298
299         spin_unlock_irq(&zone->lru_lock);
300         cc->migrate_pfn = low_pfn;
301
302         trace_mm_compaction_isolate_migratepages(nr_scanned, nr_isolated);
303
304         return cc->nr_migratepages;
305 }
306
307 /*
308  * This is a migrate-callback that "allocates" freepages by taking pages
309  * from the isolated freelists in the block we are migrating to.
310  */
311 static struct page *compaction_alloc(struct page *migratepage,
312                                         unsigned long data,
313                                         int **result)
314 {
315         struct compact_control *cc = (struct compact_control *)data;
316         struct page *freepage;
317
318         /* Isolate free pages if necessary */
319         if (list_empty(&cc->freepages)) {
320                 isolate_freepages(cc->zone, cc);
321
322                 if (list_empty(&cc->freepages))
323                         return NULL;
324         }
325
326         freepage = list_entry(cc->freepages.next, struct page, lru);
327         list_del(&freepage->lru);
328         cc->nr_freepages--;
329
330         return freepage;
331 }
332
333 /*
334  * We cannot control nr_migratepages and nr_freepages fully when migration is
335  * running as migrate_pages() has no knowledge of compact_control. When
336  * migration is complete, we count the number of pages on the lists by hand.
337  */
338 static void update_nr_listpages(struct compact_control *cc)
339 {
340         int nr_migratepages = 0;
341         int nr_freepages = 0;
342         struct page *page;
343
344         list_for_each_entry(page, &cc->migratepages, lru)
345                 nr_migratepages++;
346         list_for_each_entry(page, &cc->freepages, lru)
347                 nr_freepages++;
348
349         cc->nr_migratepages = nr_migratepages;
350         cc->nr_freepages = nr_freepages;
351 }
352
353 static int compact_finished(struct zone *zone,
354                                                 struct compact_control *cc)
355 {
356         unsigned int order;
357         unsigned long watermark = low_wmark_pages(zone) + (1 << cc->order);
358
359         if (fatal_signal_pending(current))
360                 return COMPACT_PARTIAL;
361
362         /* Compaction run completes if the migrate and free scanner meet */
363         if (cc->free_pfn <= cc->migrate_pfn)
364                 return COMPACT_COMPLETE;
365
366         /* Compaction run is not finished if the watermark is not met */
367         if (!zone_watermark_ok(zone, cc->order, watermark, 0, 0))
368                 return COMPACT_CONTINUE;
369
370         if (cc->order == -1)
371                 return COMPACT_CONTINUE;
372
373         /* Direct compactor: Is a suitable page free? */
374         for (order = cc->order; order < MAX_ORDER; order++) {
375                 /* Job done if page is free of the right migratetype */
376                 if (!list_empty(&zone->free_area[order].free_list[cc->migratetype]))
377                         return COMPACT_PARTIAL;
378
379                 /* Job done if allocation would set block type */
380                 if (order >= pageblock_order && zone->free_area[order].nr_free)
381                         return COMPACT_PARTIAL;
382         }
383
384         return COMPACT_CONTINUE;
385 }
386
387 /*
388  * compaction_suitable: Is this suitable to run compaction on this zone now?
389  * Returns
390  *   COMPACT_SKIPPED  - If there are too few free pages for compaction
391  *   COMPACT_PARTIAL  - If the allocation would succeed without compaction
392  *   COMPACT_CONTINUE - If compaction should run now
393  */
394 unsigned long compaction_suitable(struct zone *zone, int order)
395 {
396         int fragindex;
397         unsigned long watermark;
398
399         /*
400          * Watermarks for order-0 must be met for compaction. Note the 2UL.
401          * This is because during migration, copies of pages need to be
402          * allocated and for a short time, the footprint is higher
403          */
404         watermark = low_wmark_pages(zone) + (2UL << order);
405         if (!zone_watermark_ok(zone, 0, watermark, 0, 0))
406                 return COMPACT_SKIPPED;
407
408         /*
409          * fragmentation index determines if allocation failures are due to
410          * low memory or external fragmentation
411          *
412          * index of -1 implies allocations might succeed dependingon watermarks
413          * index towards 0 implies failure is due to lack of memory
414          * index towards 1000 implies failure is due to fragmentation
415          *
416          * Only compact if a failure would be due to fragmentation.
417          */
418         fragindex = fragmentation_index(zone, order);
419         if (fragindex >= 0 && fragindex <= sysctl_extfrag_threshold)
420                 return COMPACT_SKIPPED;
421
422         if (fragindex == -1 && zone_watermark_ok(zone, order, watermark, 0, 0))
423                 return COMPACT_PARTIAL;
424
425         return COMPACT_CONTINUE;
426 }
427
428 static int compact_zone(struct zone *zone, struct compact_control *cc)
429 {
430         int ret;
431
432         ret = compaction_suitable(zone, cc->order);
433         switch (ret) {
434         case COMPACT_PARTIAL:
435         case COMPACT_SKIPPED:
436                 /* Compaction is likely to fail */
437                 return ret;
438         case COMPACT_CONTINUE:
439                 /* Fall through to compaction */
440                 ;
441         }
442
443         /* Setup to move all movable pages to the end of the zone */
444         cc->migrate_pfn = zone->zone_start_pfn;
445         cc->free_pfn = cc->migrate_pfn + zone->spanned_pages;
446         cc->free_pfn &= ~(pageblock_nr_pages-1);
447
448         migrate_prep_local();
449
450         while ((ret = compact_finished(zone, cc)) == COMPACT_CONTINUE) {
451                 unsigned long nr_migrate, nr_remaining;
452
453                 if (!isolate_migratepages(zone, cc))
454                         continue;
455
456                 nr_migrate = cc->nr_migratepages;
457                 migrate_pages(&cc->migratepages, compaction_alloc,
458                                                 (unsigned long)cc, 0);
459                 update_nr_listpages(cc);
460                 nr_remaining = cc->nr_migratepages;
461
462                 count_vm_event(COMPACTBLOCKS);
463                 count_vm_events(COMPACTPAGES, nr_migrate - nr_remaining);
464                 if (nr_remaining)
465                         count_vm_events(COMPACTPAGEFAILED, nr_remaining);
466                 trace_mm_compaction_migratepages(nr_migrate - nr_remaining,
467                                                 nr_remaining);
468
469                 /* Release LRU pages not migrated */
470                 if (!list_empty(&cc->migratepages)) {
471                         putback_lru_pages(&cc->migratepages);
472                         cc->nr_migratepages = 0;
473                 }
474
475         }
476
477         /* Release free pages and check accounting */
478         cc->nr_freepages -= release_freepages(&cc->freepages);
479         VM_BUG_ON(cc->nr_freepages != 0);
480
481         return ret;
482 }
483
484 unsigned long compact_zone_order(struct zone *zone,
485                                                 int order, gfp_t gfp_mask)
486 {
487         struct compact_control cc = {
488                 .nr_freepages = 0,
489                 .nr_migratepages = 0,
490                 .order = order,
491                 .migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask),
492                 .zone = zone,
493         };
494         INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
495         INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
496
497         return compact_zone(zone, &cc);
498 }
499
500 int sysctl_extfrag_threshold = 500;
501
502 /**
503  * try_to_compact_pages - Direct compact to satisfy a high-order allocation
504  * @zonelist: The zonelist used for the current allocation
505  * @order: The order of the current allocation
506  * @gfp_mask: The GFP mask of the current allocation
507  * @nodemask: The allowed nodes to allocate from
508  *
509  * This is the main entry point for direct page compaction.
510  */
511 unsigned long try_to_compact_pages(struct zonelist *zonelist,
512                         int order, gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask)
513 {
514         enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);
515         int may_enter_fs = gfp_mask & __GFP_FS;
516         int may_perform_io = gfp_mask & __GFP_IO;
517         struct zoneref *z;
518         struct zone *zone;
519         int rc = COMPACT_SKIPPED;
520
521         /*
522          * Check whether it is worth even starting compaction. The order check is
523          * made because an assumption is made that the page allocator can satisfy
524          * the "cheaper" orders without taking special steps
525          */
526         if (order <= PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER || !may_enter_fs || !may_perform_io)
527                 return rc;
528
529         count_vm_event(COMPACTSTALL);
530
531         /* Compact each zone in the list */
532         for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist, high_zoneidx,
533                                                                 nodemask) {
534                 int status;
535
536                 status = compact_zone_order(zone, order, gfp_mask);
537                 rc = max(status, rc);
538
539                 /* If a normal allocation would succeed, stop compacting */
540                 if (zone_watermark_ok(zone, order, low_wmark_pages(zone), 0, 0))
541                         break;
542         }
543
544         return rc;
545 }
546
547
548 /* Compact all zones within a node */
549 static int compact_node(int nid)
550 {
551         int zoneid;
552         pg_data_t *pgdat;
553         struct zone *zone;
554
555         if (nid < 0 || nid >= nr_node_ids || !node_online(nid))
556                 return -EINVAL;
557         pgdat = NODE_DATA(nid);
558
559         /* Flush pending updates to the LRU lists */
560         lru_add_drain_all();
561
562         for (zoneid = 0; zoneid < MAX_NR_ZONES; zoneid++) {
563                 struct compact_control cc = {
564                         .nr_freepages = 0,
565                         .nr_migratepages = 0,
566                         .order = -1,
567                 };
568
569                 zone = &pgdat->node_zones[zoneid];
570                 if (!populated_zone(zone))
571                         continue;
572
573                 cc.zone = zone;
574                 INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
575                 INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
576
577                 compact_zone(zone, &cc);
578
579                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.freepages));
580                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.migratepages));
581         }
582
583         return 0;
584 }
585
586 /* Compact all nodes in the system */
587 static int compact_nodes(void)
588 {
589         int nid;
590
591         for_each_online_node(nid)
592                 compact_node(nid);
593
594         return COMPACT_COMPLETE;
595 }
596
597 /* The written value is actually unused, all memory is compacted */
598 int sysctl_compact_memory;
599
600 /* This is the entry point for compacting all nodes via /proc/sys/vm */
601 int sysctl_compaction_handler(struct ctl_table *table, int write,
602                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
603 {
604         if (write)
605                 return compact_nodes();
606
607         return 0;
608 }
609
610 int sysctl_extfrag_handler(struct ctl_table *table, int write,
611                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
612 {
613         proc_dointvec_minmax(table, write, buffer, length, ppos);
614
615         return 0;
616 }
617
618 #if defined(CONFIG_SYSFS) && defined(CONFIG_NUMA)
619 ssize_t sysfs_compact_node(struct sys_device *dev,
620                         struct sysdev_attribute *attr,
621                         const char *buf, size_t count)
622 {
623         compact_node(dev->id);
624
625         return count;
626 }
627 static SYSDEV_ATTR(compact, S_IWUSR, NULL, sysfs_compact_node);
628
629 int compaction_register_node(struct node *node)
630 {
631         return sysdev_create_file(&node->sysdev, &attr_compact);
632 }
633
634 void compaction_unregister_node(struct node *node)
635 {
636         return sysdev_remove_file(&node->sysdev, &attr_compact);
637 }
638 #endif /* CONFIG_SYSFS && CONFIG_NUMA */