mm/damon/vaddr.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * DAMON Primitives for Virtual Address Spaces
   4  *
   5  * Author: SeongJae Park <[email protected]>
   6  */
   7
   8 #define pr_fmt(fmt) "damon-va: " fmt
   9
  10 #include <linux/damon.h>
  11 #include <linux/hugetlb.h>
  12 #include <linux/mm.h>
  13 #include <linux/mmu_notifier.h>
  14 #include <linux/highmem.h>
  15 #include <linux/page_idle.h>
  16 #include <linux/pagewalk.h>
  17 #include <linux/random.h>
  18 #include <linux/sched/mm.h>
  19 #include <linux/slab.h>
  20
  21 #ifdef CONFIG_DAMON_VADDR_KUNIT_TEST
  22 #undef DAMON_MIN_REGION
  23 #define DAMON_MIN_REGION 1
  24 #endif
  25
  26 /* Get a random number in [l, r) */
  27 #define damon_rand(l, r) (l + prandom_u32_max(r - l))
  28
  29 /*
  30  * 't->id' should be the pointer to the relevant 'struct pid' having reference
  31  * count.  Caller must put the returned task, unless it is NULL.
  32  */
  33 #define damon_get_task_struct(t) \
  34         (get_pid_task((struct pid *)t->id, PIDTYPE_PID))
  35
  36 /*
  37  * Get the mm_struct of the given target
  38  *
  39  * Caller _must_ put the mm_struct after use, unless it is NULL.
  40  *
  41  * Returns the mm_struct of the target on success, NULL on failure
  42  */
  43 static struct mm_struct *damon_get_mm(struct damon_target *t)
  44 {
  45         struct task_struct *task;
  46         struct mm_struct *mm;
  47
  48         task = damon_get_task_struct(t);
  49         if (!task)
  50                 return NULL;
  51
  52         mm = get_task_mm(task);
  53         put_task_struct(task);
  54         return mm;
  55 }
  56
  57 /*
  58  * Functions for the initial monitoring target regions construction
  59  */
  60
  61 /*
  62  * Size-evenly split a region into 'nr_pieces' small regions
  63  *
  64  * Returns 0 on success, or negative error code otherwise.
  65  */
  66 static int damon_va_evenly_split_region(struct damon_target *t,
  67                 struct damon_region *r, unsigned int nr_pieces)
  68 {
  69         unsigned long sz_orig, sz_piece, orig_end;
  70         struct damon_region *n = NULL, *next;
  71         unsigned long start;
  72
  73         if (!r || !nr_pieces)
  74                 return -EINVAL;
  75
  76         orig_end = r->ar.end;
  77         sz_orig = r->ar.end - r->ar.start;
  78         sz_piece = ALIGN_DOWN(sz_orig / nr_pieces, DAMON_MIN_REGION);
  79
  80         if (!sz_piece)
  81                 return -EINVAL;
  82
  83         r->ar.end = r->ar.start + sz_piece;
  84         next = damon_next_region(r);
  85         for (start = r->ar.end; start + sz_piece <= orig_end;
  86                         start += sz_piece) {
  87                 n = damon_new_region(start, start + sz_piece);
  88                 if (!n)
  89                         return -ENOMEM;
  90                 damon_insert_region(n, r, next, t);
  91                 r = n;
  92         }
  93         /* complement last region for possible rounding error */
  94         if (n)
  95                 n->ar.end = orig_end;
  96
  97         return 0;
  98 }
  99
 100 static unsigned long sz_range(struct damon_addr_range *r)
 101 {
 102         return r->end - r->start;
 103 }
 104
 105 static void swap_ranges(struct damon_addr_range *r1,
 106                         struct damon_addr_range *r2)
 107 {
 108         struct damon_addr_range tmp;
 109
 110         tmp = *r1;
 111         *r1 = *r2;
 112         *r2 = tmp;
 113 }
 114
 115 /*
 116  * Find three regions separated by two biggest unmapped regions
 117  *
 118  * vma          the head vma of the target address space
 119  * regions      an array of three address ranges that results will be saved
 120  *
 121  * This function receives an address space and finds three regions in it which
 122  * separated by the two biggest unmapped regions in the space.  Please refer to
 123  * below comments of '__damon_va_init_regions()' function to know why this is
 124  * necessary.
 125  *
 126  * Returns 0 if success, or negative error code otherwise.
 127  */
 128 static int __damon_va_three_regions(struct vm_area_struct *vma,
 129                                        struct damon_addr_range regions[3])
 130 {
 131         struct damon_addr_range gap = {0}, first_gap = {0}, second_gap = {0};
 132         struct vm_area_struct *last_vma = NULL;
 133         unsigned long start = 0;
 134         struct rb_root rbroot;
 135
 136         /* Find two biggest gaps so that first_gap > second_gap > others */
 137         for (; vma; vma = vma->vm_next) {
 138                 if (!last_vma) {
 139                         start = vma->vm_start;
 140                         goto next;
 141                 }
 142
 143                 if (vma->rb_subtree_gap <= sz_range(&second_gap)) {
 144                         rbroot.rb_node = &vma->vm_rb;
 145                         vma = rb_entry(rb_last(&rbroot),
 146                                         struct vm_area_struct, vm_rb);
 147                         goto next;
 148                 }
 149
 150                 gap.start = last_vma->vm_end;
 151                 gap.end = vma->vm_start;
 152                 if (sz_range(&gap) > sz_range(&second_gap)) {
 153                         swap_ranges(&gap, &second_gap);
 154                         if (sz_range(&second_gap) > sz_range(&first_gap))
 155                                 swap_ranges(&second_gap, &first_gap);
 156                 }
 157 next:
 158                 last_vma = vma;
 159         }
 160
 161         if (!sz_range(&second_gap) || !sz_range(&first_gap))
 162                 return -EINVAL;
 163
 164         /* Sort the two biggest gaps by address */
 165         if (first_gap.start > second_gap.start)
 166                 swap_ranges(&first_gap, &second_gap);
 167
 168         /* Store the result */
 169         regions[0].start = ALIGN(start, DAMON_MIN_REGION);
 170         regions[0].end = ALIGN(first_gap.start, DAMON_MIN_REGION);
 171         regions[1].start = ALIGN(first_gap.end, DAMON_MIN_REGION);
 172         regions[1].end = ALIGN(second_gap.start, DAMON_MIN_REGION);
 173         regions[2].start = ALIGN(second_gap.end, DAMON_MIN_REGION);
 174         regions[2].end = ALIGN(last_vma->vm_end, DAMON_MIN_REGION);
 175
 176         return 0;
 177 }
 178
 179 /*
 180  * Get the three regions in the given target (task)
 181  *
 182  * Returns 0 on success, negative error code otherwise.
 183  */
 184 static int damon_va_three_regions(struct damon_target *t,
 185                                 struct damon_addr_range regions[3])
 186 {
 187         struct mm_struct *mm;
 188         int rc;
 189
 190         mm = damon_get_mm(t);
 191         if (!mm)
 192                 return -EINVAL;
 193
 194         mmap_read_lock(mm);
 195         rc = __damon_va_three_regions(mm->mmap, regions);
 196         mmap_read_unlock(mm);
 197
 198         mmput(mm);
 199         return rc;
 200 }
 201
 202 /*
 203  * Initialize the monitoring target regions for the given target (task)
 204  *
 205  * t    the given target
 206  *
 207  * Because only a number of small portions of the entire address space
 208  * is actually mapped to the memory and accessed, monitoring the unmapped
 209  * regions is wasteful.  That said, because we can deal with small noises,
 210  * tracking every mapping is not strictly required but could even incur a high
 211  * overhead if the mapping frequently changes or the number of mappings is
 212  * high.  The adaptive regions adjustment mechanism will further help to deal
 213  * with the noise by simply identifying the unmapped areas as a region that
 214  * has no access.  Moreover, applying the real mappings that would have many
 215  * unmapped areas inside will make the adaptive mechanism quite complex.  That
 216  * said, too huge unmapped areas inside the monitoring target should be removed
 217  * to not take the time for the adaptive mechanism.
 218  *
 219  * For the reason, we convert the complex mappings to three distinct regions
 220  * that cover every mapped area of the address space.  Also the two gaps
 221  * between the three regions are the two biggest unmapped areas in the given
 222  * address space.  In detail, this function first identifies the start and the
 223  * end of the mappings and the two biggest unmapped areas of the address space.
 224  * Then, it constructs the three regions as below:
 225  *
 226  *     [mappings[0]->start, big_two_unmapped_areas[0]->start)
 227  *     [big_two_unmapped_areas[0]->end, big_two_unmapped_areas[1]->start)
 228  *     [big_two_unmapped_areas[1]->end, mappings[nr_mappings - 1]->end)
 229  *
 230  * As usual memory map of processes is as below, the gap between the heap and
 231  * the uppermost mmap()-ed region, and the gap between the lowermost mmap()-ed
 232  * region and the stack will be two biggest unmapped regions.  Because these
 233  * gaps are exceptionally huge areas in usual address space, excluding these
 234  * two biggest unmapped regions will be sufficient to make a trade-off.
 235  *
 236  *   <heap>
 237  *   <BIG UNMAPPED REGION 1>
 238  *   <uppermost mmap()-ed region>
 239  *   (other mmap()-ed regions and small unmapped regions)
 240  *   <lowermost mmap()-ed region>
 241  *   <BIG UNMAPPED REGION 2>
 242  *   <stack>
 243  */
 244 static void __damon_va_init_regions(struct damon_ctx *ctx,
 245                                      struct damon_target *t)
 246 {
 247         struct damon_region *r;
 248         struct damon_addr_range regions[3];
 249         unsigned long sz = 0, nr_pieces;
 250         int i;
 251
 252         if (damon_va_three_regions(t, regions)) {
 253                 pr_err("Failed to get three regions of target %lu\n", t->id);
 254                 return;
 255         }
 256
 257         for (i = 0; i < 3; i++)
 258                 sz += regions[i].end - regions[i].start;
 259         if (ctx->min_nr_regions)
 260                 sz /= ctx->min_nr_regions;
 261         if (sz < DAMON_MIN_REGION)
 262                 sz = DAMON_MIN_REGION;
 263
 264         /* Set the initial three regions of the target */
 265         for (i = 0; i < 3; i++) {
 266                 r = damon_new_region(regions[i].start, regions[i].end);
 267                 if (!r) {
 268                         pr_err("%d'th init region creation failed\n", i);
 269                         return;
 270                 }
 271                 damon_add_region(r, t);
 272
 273                 nr_pieces = (regions[i].end - regions[i].start) / sz;
 274                 damon_va_evenly_split_region(t, r, nr_pieces);
 275         }
 276 }
 277
 278 /* Initialize '->regions_list' of every target (task) */
 279 void damon_va_init(struct damon_ctx *ctx)
 280 {
 281         struct damon_target *t;
 282
 283         damon_for_each_target(t, ctx) {
 284                 /* the user may set the target regions as they want */
 285                 if (!damon_nr_regions(t))
 286                         __damon_va_init_regions(ctx, t);
 287         }
 288 }
 289
 290 /*
 291  * Functions for the dynamic monitoring target regions update
 292  */
 293
 294 /*
 295  * Check whether a region is intersecting an address range
 296  *
 297  * Returns true if it is.
 298  */
 299 static bool damon_intersect(struct damon_region *r, struct damon_addr_range *re)
 300 {
 301         return !(r->ar.end <= re->start || re->end <= r->ar.start);
 302 }
 303
 304 /*
 305  * Update damon regions for the three big regions of the given target
 306  *
 307  * t            the given target
 308  * bregions     the three big regions of the target
 309  */
 310 static void damon_va_apply_three_regions(struct damon_target *t,
 311                 struct damon_addr_range bregions[3])
 312 {
 313         struct damon_region *r, *next;
 314         unsigned int i = 0;
 315
 316         /* Remove regions which are not in the three big regions now */
 317         damon_for_each_region_safe(r, next, t) {
 318                 for (i = 0; i < 3; i++) {
 319                         if (damon_intersect(r, &bregions[i]))
 320                                 break;
 321                 }
 322                 if (i == 3)
 323                         damon_destroy_region(r, t);
 324         }
 325
 326         /* Adjust intersecting regions to fit with the three big regions */
 327         for (i = 0; i < 3; i++) {
 328                 struct damon_region *first = NULL, *last;
 329                 struct damon_region *newr;
 330                 struct damon_addr_range *br;
 331
 332                 br = &bregions[i];
 333                 /* Get the first and last regions which intersects with br */
 334                 damon_for_each_region(r, t) {
 335                         if (damon_intersect(r, br)) {
 336                                 if (!first)
 337                                         first = r;
 338                                 last = r;
 339                         }
 340                         if (r->ar.start >= br->end)
 341                                 break;
 342                 }
 343                 if (!first) {
 344                         /* no damon_region intersects with this big region */
 345                         newr = damon_new_region(
 346                                         ALIGN_DOWN(br->start,
 347                                                 DAMON_MIN_REGION),
 348                                         ALIGN(br->end, DAMON_MIN_REGION));
 349                         if (!newr)
 350                                 continue;
 351                         damon_insert_region(newr, damon_prev_region(r), r, t);
 352                 } else {
 353                         first->ar.start = ALIGN_DOWN(br->start,
 354                                         DAMON_MIN_REGION);
 355                         last->ar.end = ALIGN(br->end, DAMON_MIN_REGION);
 356                 }
 357         }
 358 }
 359
 360 /*
 361  * Update regions for current memory mappings
 362  */
 363 void damon_va_update(struct damon_ctx *ctx)
 364 {
 365         struct damon_addr_range three_regions[3];
 366         struct damon_target *t;
 367
 368         damon_for_each_target(t, ctx) {
 369                 if (damon_va_three_regions(t, three_regions))
 370                         continue;
 371                 damon_va_apply_three_regions(t, three_regions);
 372         }
 373 }
 374
 375 /*
 376  * Get an online page for a pfn if it's in the LRU list.  Otherwise, returns
 377  * NULL.
 378  *
 379  * The body of this function is stolen from the 'page_idle_get_page()'.  We
 380  * steal rather than reuse it because the code is quite simple.
 381  */
 382 static struct page *damon_get_page(unsigned long pfn)
 383 {
 384         struct page *page = pfn_to_online_page(pfn);
 385
 386         if (!page || !PageLRU(page) || !get_page_unless_zero(page))
 387                 return NULL;
 388
 389         if (unlikely(!PageLRU(page))) {
 390                 put_page(page);
 391                 page = NULL;
 392         }
 393         return page;
 394 }
 395
 396 static void damon_ptep_mkold(pte_t *pte, struct mm_struct *mm,
 397                              unsigned long addr)
 398 {
 399         bool referenced = false;
 400         struct page *page = damon_get_page(pte_pfn(*pte));
 401
 402         if (!page)
 403                 return;
 404
 405         if (pte_young(*pte)) {
 406                 referenced = true;
 407                 *pte = pte_mkold(*pte);
 408         }
 409
 410 #ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
 411         if (mmu_notifier_clear_young(mm, addr, addr + PAGE_SIZE))
 412                 referenced = true;
 413 #endif /* CONFIG_MMU_NOTIFIER */
 414
 415         if (referenced)
 416                 set_page_young(page);
 417
 418         set_page_idle(page);
 419         put_page(page);
 420 }
 421
 422 static void damon_pmdp_mkold(pmd_t *pmd, struct mm_struct *mm,
 423                              unsigned long addr)
 424 {
 425 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 426         bool referenced = false;
 427         struct page *page = damon_get_page(pmd_pfn(*pmd));
 428
 429         if (!page)
 430                 return;
 431
 432         if (pmd_young(*pmd)) {
 433                 referenced = true;
 434                 *pmd = pmd_mkold(*pmd);
 435         }
 436
 437 #ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
 438         if (mmu_notifier_clear_young(mm, addr,
 439                                 addr + ((1UL) << HPAGE_PMD_SHIFT)))
 440                 referenced = true;
 441 #endif /* CONFIG_MMU_NOTIFIER */
 442
 443         if (referenced)
 444                 set_page_young(page);
 445
 446         set_page_idle(page);
 447         put_page(page);
 448 #endif /* CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE */
 449 }
 450
 451 static int damon_mkold_pmd_entry(pmd_t *pmd, unsigned long addr,
 452                 unsigned long next, struct mm_walk *walk)
 453 {
 454         pte_t *pte;
 455         spinlock_t *ptl;
 456
 457         if (pmd_huge(*pmd)) {
 458                 ptl = pmd_lock(walk->mm, pmd);
 459                 if (pmd_huge(*pmd)) {
 460                         damon_pmdp_mkold(pmd, walk->mm, addr);
 461                         spin_unlock(ptl);
 462                         return 0;
 463                 }
 464                 spin_unlock(ptl);
 465         }
 466
 467         if (pmd_none(*pmd) || unlikely(pmd_bad(*pmd)))
 468                 return 0;
 469         pte = pte_offset_map_lock(walk->mm, pmd, addr, &ptl);
 470         if (!pte_present(*pte))
 471                 goto out;
 472         damon_ptep_mkold(pte, walk->mm, addr);
 473 out:
 474         pte_unmap_unlock(pte, ptl);
 475         return 0;
 476 }
 477
 478 static struct mm_walk_ops damon_mkold_ops = {
 479         .pmd_entry = damon_mkold_pmd_entry,
 480 };
 481
 482 static void damon_va_mkold(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
 483 {
 484         mmap_read_lock(mm);
 485         walk_page_range(mm, addr, addr + 1, &damon_mkold_ops, NULL);
 486         mmap_read_unlock(mm);
 487 }
 488
 489 /*
 490  * Functions for the access checking of the regions
 491  */
 492
 493 static void damon_va_prepare_access_check(struct damon_ctx *ctx,
 494                         struct mm_struct *mm, struct damon_region *r)
 495 {
 496         r->sampling_addr = damon_rand(r->ar.start, r->ar.end);
 497
 498         damon_va_mkold(mm, r->sampling_addr);
 499 }
 500
 501 void damon_va_prepare_access_checks(struct damon_ctx *ctx)
 502 {
 503         struct damon_target *t;
 504         struct mm_struct *mm;
 505         struct damon_region *r;
 506
 507         damon_for_each_target(t, ctx) {
 508                 mm = damon_get_mm(t);
 509                 if (!mm)
 510                         continue;
 511                 damon_for_each_region(r, t)
 512                         damon_va_prepare_access_check(ctx, mm, r);
 513                 mmput(mm);
 514         }
 515 }
 516
 517 struct damon_young_walk_private {
 518         unsigned long *page_sz;
 519         bool young;
 520 };
 521
 522 static int damon_young_pmd_entry(pmd_t *pmd, unsigned long addr,
 523                 unsigned long next, struct mm_walk *walk)
 524 {
 525         pte_t *pte;
 526         spinlock_t *ptl;
 527         struct page *page;
 528         struct damon_young_walk_private *priv = walk->private;
 529
 530 #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
 531         if (pmd_huge(*pmd)) {
 532                 ptl = pmd_lock(walk->mm, pmd);
 533                 if (!pmd_huge(*pmd)) {
 534                         spin_unlock(ptl);
 535                         goto regular_page;
 536                 }
 537                 page = damon_get_page(pmd_pfn(*pmd));
 538                 if (!page)
 539                         goto huge_out;
 540                 if (pmd_young(*pmd) || !page_is_idle(page) ||
 541                                         mmu_notifier_test_young(walk->mm,
 542                                                 addr)) {
 543                         *priv->page_sz = ((1UL) << HPAGE_PMD_SHIFT);
 544                         priv->young = true;
 545                 }
 546                 put_page(page);
 547 huge_out:
 548                 spin_unlock(ptl);
 549                 return 0;
 550         }
 551
 552 regular_page:
 553 #endif  /* CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE */
 554
 555         if (pmd_none(*pmd) || unlikely(pmd_bad(*pmd)))
 556                 return -EINVAL;
 557         pte = pte_offset_map_lock(walk->mm, pmd, addr, &ptl);
 558         if (!pte_present(*pte))
 559                 goto out;
 560         page = damon_get_page(pte_pfn(*pte));
 561         if (!page)
 562                 goto out;
 563         if (pte_young(*pte) || !page_is_idle(page) ||
 564                         mmu_notifier_test_young(walk->mm, addr)) {
 565                 *priv->page_sz = PAGE_SIZE;
 566                 priv->young = true;
 567         }
 568         put_page(page);
 569 out:
 570         pte_unmap_unlock(pte, ptl);
 571         return 0;
 572 }
 573
 574 static struct mm_walk_ops damon_young_ops = {
 575         .pmd_entry = damon_young_pmd_entry,
 576 };
 577
 578 static bool damon_va_young(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
 579                 unsigned long *page_sz)
 580 {
 581         struct damon_young_walk_private arg = {
 582                 .page_sz = page_sz,
 583                 .young = false,
 584         };
 585
 586         mmap_read_lock(mm);
 587         walk_page_range(mm, addr, addr + 1, &damon_young_ops, &arg);
 588         mmap_read_unlock(mm);
 589         return arg.young;
 590 }
 591
 592 /*
 593  * Check whether the region was accessed after the last preparation
 594  *
 595  * mm   'mm_struct' for the given virtual address space
 596  * r    the region to be checked
 597  */
 598 static void damon_va_check_access(struct damon_ctx *ctx,
 599                                struct mm_struct *mm, struct damon_region *r)
 600 {
 601         static struct mm_struct *last_mm;
 602         static unsigned long last_addr;
 603         static unsigned long last_page_sz = PAGE_SIZE;
 604         static bool last_accessed;
 605
 606         /* If the region is in the last checked page, reuse the result */
 607         if (mm == last_mm && (ALIGN_DOWN(last_addr, last_page_sz) ==
 608                                 ALIGN_DOWN(r->sampling_addr, last_page_sz))) {
 609                 if (last_accessed)
 610                         r->nr_accesses++;
 611                 return;
 612         }
 613
 614         last_accessed = damon_va_young(mm, r->sampling_addr, &last_page_sz);
 615         if (last_accessed)
 616                 r->nr_accesses++;
 617
 618         last_mm = mm;
 619         last_addr = r->sampling_addr;
 620 }
 621
 622 unsigned int damon_va_check_accesses(struct damon_ctx *ctx)
 623 {
 624         struct damon_target *t;
 625         struct mm_struct *mm;
 626         struct damon_region *r;
 627         unsigned int max_nr_accesses = 0;
 628
 629         damon_for_each_target(t, ctx) {
 630                 mm = damon_get_mm(t);
 631                 if (!mm)
 632                         continue;
 633                 damon_for_each_region(r, t) {
 634                         damon_va_check_access(ctx, mm, r);
 635                         max_nr_accesses = max(r->nr_accesses, max_nr_accesses);
 636                 }
 637                 mmput(mm);
 638         }
 639
 640         return max_nr_accesses;
 641 }
 642
 643 /*
 644  * Functions for the target validity check and cleanup
 645  */
 646
 647 bool damon_va_target_valid(void *target)
 648 {
 649         struct damon_target *t = target;
 650         struct task_struct *task;
 651
 652         task = damon_get_task_struct(t);
 653         if (task) {
 654                 put_task_struct(task);
 655                 return true;
 656         }
 657
 658         return false;
 659 }
 660
 661 void damon_va_set_primitives(struct damon_ctx *ctx)
 662 {
 663         ctx->primitive.init = damon_va_init;
 664         ctx->primitive.update = damon_va_update;
 665         ctx->primitive.prepare_access_checks = damon_va_prepare_access_checks;
 666         ctx->primitive.check_accesses = damon_va_check_accesses;
 667         ctx->primitive.reset_aggregated = NULL;
 668         ctx->primitive.target_valid = damon_va_target_valid;
 669         ctx->primitive.cleanup = NULL;
 670 }
 671
 672 #include "vaddr-test.h"