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 static int compact_zone(struct zone *zone, struct compact_control *cc)
 388 {
 389         int ret;
 390
 391         /* Setup to move all movable pages to the end of the zone */
 392         cc->migrate_pfn = zone->zone_start_pfn;
 393         cc->free_pfn = cc->migrate_pfn + zone->spanned_pages;
 394         cc->free_pfn &= ~(pageblock_nr_pages-1);
 395
 396         migrate_prep_local();
 397
 398         while ((ret = compact_finished(zone, cc)) == COMPACT_CONTINUE) {
 399                 unsigned long nr_migrate, nr_remaining;
 400
 401                 if (!isolate_migratepages(zone, cc))
 402                         continue;
 403
 404                 nr_migrate = cc->nr_migratepages;
 405                 migrate_pages(&cc->migratepages, compaction_alloc,
 406                                                 (unsigned long)cc, 0);
 407                 update_nr_listpages(cc);
 408                 nr_remaining = cc->nr_migratepages;
 409
 410                 count_vm_event(COMPACTBLOCKS);
 411                 count_vm_events(COMPACTPAGES, nr_migrate - nr_remaining);
 412                 if (nr_remaining)
 413                         count_vm_events(COMPACTPAGEFAILED, nr_remaining);
 414                 trace_mm_compaction_migratepages(nr_migrate - nr_remaining,
 415                                                 nr_remaining);
 416
 417                 /* Release LRU pages not migrated */
 418                 if (!list_empty(&cc->migratepages)) {
 419                         putback_lru_pages(&cc->migratepages);
 420                         cc->nr_migratepages = 0;
 421                 }
 422
 423         }
 424
 425         /* Release free pages and check accounting */
 426         cc->nr_freepages -= release_freepages(&cc->freepages);
 427         VM_BUG_ON(cc->nr_freepages != 0);
 428
 429         return ret;
 430 }
 431
 432 static unsigned long compact_zone_order(struct zone *zone,
 433                                                 int order, gfp_t gfp_mask)
 434 {
 435         struct compact_control cc = {
 436                 .nr_freepages = 0,
 437                 .nr_migratepages = 0,
 438                 .order = order,
 439                 .migratetype = allocflags_to_migratetype(gfp_mask),
 440                 .zone = zone,
 441         };
 442         INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
 443         INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
 444
 445         return compact_zone(zone, &cc);
 446 }
 447
 448 int sysctl_extfrag_threshold = 500;
 449
 450 /**
 451  * try_to_compact_pages - Direct compact to satisfy a high-order allocation
 452  * @zonelist: The zonelist used for the current allocation
 453  * @order: The order of the current allocation
 454  * @gfp_mask: The GFP mask of the current allocation
 455  * @nodemask: The allowed nodes to allocate from
 456  *
 457  * This is the main entry point for direct page compaction.
 458  */
 459 unsigned long try_to_compact_pages(struct zonelist *zonelist,
 460                         int order, gfp_t gfp_mask, nodemask_t *nodemask)
 461 {
 462         enum zone_type high_zoneidx = gfp_zone(gfp_mask);
 463         int may_enter_fs = gfp_mask & __GFP_FS;
 464         int may_perform_io = gfp_mask & __GFP_IO;
 465         unsigned long watermark;
 466         struct zoneref *z;
 467         struct zone *zone;
 468         int rc = COMPACT_SKIPPED;
 469
 470         /*
 471          * Check whether it is worth even starting compaction. The order check is
 472          * made because an assumption is made that the page allocator can satisfy
 473          * the "cheaper" orders without taking special steps
 474          */
 475         if (order <= PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER || !may_enter_fs || !may_perform_io)
 476                 return rc;
 477
 478         count_vm_event(COMPACTSTALL);
 479
 480         /* Compact each zone in the list */
 481         for_each_zone_zonelist_nodemask(zone, z, zonelist, high_zoneidx,
 482                                                                 nodemask) {
 483                 int fragindex;
 484                 int status;
 485
 486                 /*
 487                  * Watermarks for order-0 must be met for compaction. Note
 488                  * the 2UL. This is because during migration, copies of
 489                  * pages need to be allocated and for a short time, the
 490                  * footprint is higher
 491                  */
 492                 watermark = low_wmark_pages(zone) + (2UL << order);
 493                 if (!zone_watermark_ok(zone, 0, watermark, 0, 0))
 494                         continue;
 495
 496                 /*
 497                  * fragmentation index determines if allocation failures are
 498                  * due to low memory or external fragmentation
 499                  *
 500                  * index of -1 implies allocations might succeed depending
 501                  *      on watermarks
 502                  * index towards 0 implies failure is due to lack of memory
 503                  * index towards 1000 implies failure is due to fragmentation
 504                  *
 505                  * Only compact if a failure would be due to fragmentation.
 506                  */
 507                 fragindex = fragmentation_index(zone, order);
 508                 if (fragindex >= 0 && fragindex <= sysctl_extfrag_threshold)
 509                         continue;
 510
 511                 if (fragindex == -1 && zone_watermark_ok(zone, order, watermark, 0, 0)) {
 512                         rc = COMPACT_PARTIAL;
 513                         break;
 514                 }
 515
 516                 status = compact_zone_order(zone, order, gfp_mask);
 517                 rc = max(status, rc);
 518
 519                 if (zone_watermark_ok(zone, order, watermark, 0, 0))
 520                         break;
 521         }
 522
 523         return rc;
 524 }
 525
 526
 527 /* Compact all zones within a node */
 528 static int compact_node(int nid)
 529 {
 530         int zoneid;
 531         pg_data_t *pgdat;
 532         struct zone *zone;
 533
 534         if (nid < 0 || nid >= nr_node_ids || !node_online(nid))
 535                 return -EINVAL;
 536         pgdat = NODE_DATA(nid);
 537
 538         /* Flush pending updates to the LRU lists */
 539         lru_add_drain_all();
 540
 541         for (zoneid = 0; zoneid < MAX_NR_ZONES; zoneid++) {
 542                 struct compact_control cc = {
 543                         .nr_freepages = 0,
 544                         .nr_migratepages = 0,
 545                         .order = -1,
 546                 };
 547
 548                 zone = &pgdat->node_zones[zoneid];
 549                 if (!populated_zone(zone))
 550                         continue;
 551
 552                 cc.zone = zone;
 553                 INIT_LIST_HEAD(&cc.freepages);
 554                 INIT_LIST_HEAD(&cc.migratepages);
 555
 556                 compact_zone(zone, &cc);
 557
 558                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.freepages));
 559                 VM_BUG_ON(!list_empty(&cc.migratepages));
 560         }
 561
 562         return 0;
 563 }
 564
 565 /* Compact all nodes in the system */
 566 static int compact_nodes(void)
 567 {
 568         int nid;
 569
 570         for_each_online_node(nid)
 571                 compact_node(nid);
 572
 573         return COMPACT_COMPLETE;
 574 }
 575
 576 /* The written value is actually unused, all memory is compacted */
 577 int sysctl_compact_memory;
 578
 579 /* This is the entry point for compacting all nodes via /proc/sys/vm */
 580 int sysctl_compaction_handler(struct ctl_table *table, int write,
 581                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
 582 {
 583         if (write)
 584                 return compact_nodes();
 585
 586         return 0;
 587 }
 588
 589 int sysctl_extfrag_handler(struct ctl_table *table, int write,
 590                         void __user *buffer, size_t *length, loff_t *ppos)
 591 {
 592         proc_dointvec_minmax(table, write, buffer, length, ppos);
 593
 594         return 0;
 595 }
 596
 597 #if defined(CONFIG_SYSFS) && defined(CONFIG_NUMA)
 598 ssize_t sysfs_compact_node(struct sys_device *dev,
 599                         struct sysdev_attribute *attr,
 600                         const char *buf, size_t count)
 601 {
 602         compact_node(dev->id);
 603
 604         return count;
 605 }
 606 static SYSDEV_ATTR(compact, S_IWUSR, NULL, sysfs_compact_node);
 607
 608 int compaction_register_node(struct node *node)
 609 {
 610         return sysdev_create_file(&node->sysdev, &attr_compact);
 611 }
 612
 613 void compaction_unregister_node(struct node *node)
 614 {
 615         return sysdev_remove_file(&node->sysdev, &attr_compact);
 616 }
 617 #endif /* CONFIG_SYSFS && CONFIG_NUMA */