Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/sparc-2.6
[linux-2.6/linux-acpi-2.6/ibm-acpi-2.6.git] / Documentation / vm / unevictable-lru.txt
blob97bae3c576c23668cc0fccfbc45ff97b8172840e
1                         ==============================
2                         UNEVICTABLE LRU INFRASTRUCTURE
3                         ==============================
5 ========
6 CONTENTS
7 ========
9  (*) The Unevictable LRU
11      - The unevictable page list.
12      - Memory control group interaction.
13      - Marking address spaces unevictable.
14      - Detecting Unevictable Pages.
15      - vmscan's handling of unevictable pages.
17  (*) mlock()'d pages.
19      - History.
20      - Basic management.
21      - mlock()/mlockall() system call handling.
22      - Filtering special vmas.
23      - munlock()/munlockall() system call handling.
24      - Migrating mlocked pages.
25      - mmap(MAP_LOCKED) system call handling.
26      - munmap()/exit()/exec() system call handling.
27      - try_to_unmap().
28      - try_to_munlock() reverse map scan.
29      - Page reclaim in shrink_*_list().
32 ============
33 INTRODUCTION
34 ============
36 This document describes the Linux memory manager's "Unevictable LRU"
37 infrastructure and the use of this to manage several types of "unevictable"
38 pages.
40 The document attempts to provide the overall rationale behind this mechanism
41 and the rationale for some of the design decisions that drove the
42 implementation.  The latter design rationale is discussed in the context of an
43 implementation description.  Admittedly, one can obtain the implementation
44 details - the "what does it do?" - by reading the code.  One hopes that the
45 descriptions below add value by provide the answer to "why does it do that?".
48 ===================
49 THE UNEVICTABLE LRU
50 ===================
52 The Unevictable LRU facility adds an additional LRU list to track unevictable
53 pages and to hide these pages from vmscan.  This mechanism is based on a patch
54 by Larry Woodman of Red Hat to address several scalability problems with page
55 reclaim in Linux.  The problems have been observed at customer sites on large
56 memory x86_64 systems.
58 To illustrate this with an example, a non-NUMA x86_64 platform with 128GB of
59 main memory will have over 32 million 4k pages in a single zone.  When a large
60 fraction of these pages are not evictable for any reason [see below], vmscan
61 will spend a lot of time scanning the LRU lists looking for the small fraction
62 of pages that are evictable.  This can result in a situation where all CPUs are
63 spending 100% of their time in vmscan for hours or days on end, with the system
64 completely unresponsive.
66 The unevictable list addresses the following classes of unevictable pages:
68  (*) Those owned by ramfs.
70  (*) Those mapped into SHM_LOCK'd shared memory regions.
72  (*) Those mapped into VM_LOCKED [mlock()ed] VMAs.
74 The infrastructure may also be able to handle other conditions that make pages
75 unevictable, either by definition or by circumstance, in the future.
78 THE UNEVICTABLE PAGE LIST
79 -------------------------
81 The Unevictable LRU infrastructure consists of an additional, per-zone, LRU list
82 called the "unevictable" list and an associated page flag, PG_unevictable, to
83 indicate that the page is being managed on the unevictable list.
85 The PG_unevictable flag is analogous to, and mutually exclusive with, the
86 PG_active flag in that it indicates on which LRU list a page resides when
87 PG_lru is set.
89 The Unevictable LRU infrastructure maintains unevictable pages on an additional
90 LRU list for a few reasons:
92  (1) We get to "treat unevictable pages just like we treat other pages in the
93      system - which means we get to use the same code to manipulate them, the
94      same code to isolate them (for migrate, etc.), the same code to keep track
95      of the statistics, etc..." [Rik van Riel]
97  (2) We want to be able to migrate unevictable pages between nodes for memory
98      defragmentation, workload management and memory hotplug.  The linux kernel
99      can only migrate pages that it can successfully isolate from the LRU
100      lists.  If we were to maintain pages elsewhere than on an LRU-like list,
101      where they can be found by isolate_lru_page(), we would prevent their
102      migration, unless we reworked migration code to find the unevictable pages
103      itself.
106 The unevictable list does not differentiate between file-backed and anonymous,
107 swap-backed pages.  This differentiation is only important while the pages are,
108 in fact, evictable.
110 The unevictable list benefits from the "arrayification" of the per-zone LRU
111 lists and statistics originally proposed and posted by Christoph Lameter.
113 The unevictable list does not use the LRU pagevec mechanism. Rather,
114 unevictable pages are placed directly on the page's zone's unevictable list
115 under the zone lru_lock.  This allows us to prevent the stranding of pages on
116 the unevictable list when one task has the page isolated from the LRU and other
117 tasks are changing the "evictability" state of the page.
120 MEMORY CONTROL GROUP INTERACTION
121 --------------------------------
123 The unevictable LRU facility interacts with the memory control group [aka
124 memory controller; see Documentation/cgroups/memory.txt] by extending the
125 lru_list enum.
127 The memory controller data structure automatically gets a per-zone unevictable
128 list as a result of the "arrayification" of the per-zone LRU lists (one per
129 lru_list enum element).  The memory controller tracks the movement of pages to
130 and from the unevictable list.
132 When a memory control group comes under memory pressure, the controller will
133 not attempt to reclaim pages on the unevictable list.  This has a couple of
134 effects:
136  (1) Because the pages are "hidden" from reclaim on the unevictable list, the
137      reclaim process can be more efficient, dealing only with pages that have a
138      chance of being reclaimed.
140  (2) On the other hand, if too many of the pages charged to the control group
141      are unevictable, the evictable portion of the working set of the tasks in
142      the control group may not fit into the available memory.  This can cause
143      the control group to thrash or to OOM-kill tasks.
146 MARKING ADDRESS SPACES UNEVICTABLE
147 ----------------------------------
149 For facilities such as ramfs none of the pages attached to the address space
150 may be evicted.  To prevent eviction of any such pages, the AS_UNEVICTABLE
151 address space flag is provided, and this can be manipulated by a filesystem
152 using a number of wrapper functions:
154  (*) void mapping_set_unevictable(struct address_space *mapping);
156         Mark the address space as being completely unevictable.
158  (*) void mapping_clear_unevictable(struct address_space *mapping);
160         Mark the address space as being evictable.
162  (*) int mapping_unevictable(struct address_space *mapping);
164         Query the address space, and return true if it is completely
165         unevictable.
167 These are currently used in two places in the kernel:
169  (1) By ramfs to mark the address spaces of its inodes when they are created,
170      and this mark remains for the life of the inode.
172  (2) By SYSV SHM to mark SHM_LOCK'd address spaces until SHM_UNLOCK is called.
174      Note that SHM_LOCK is not required to page in the locked pages if they're
175      swapped out; the application must touch the pages manually if it wants to
176      ensure they're in memory.
179 DETECTING UNEVICTABLE PAGES
180 ---------------------------
182 The function page_evictable() in vmscan.c determines whether a page is
183 evictable or not using the query function outlined above [see section "Marking
184 address spaces unevictable"] to check the AS_UNEVICTABLE flag.
186 For address spaces that are so marked after being populated (as SHM regions
187 might be), the lock action (eg: SHM_LOCK) can be lazy, and need not populate
188 the page tables for the region as does, for example, mlock(), nor need it make
189 any special effort to push any pages in the SHM_LOCK'd area to the unevictable
190 list.  Instead, vmscan will do this if and when it encounters the pages during
191 a reclamation scan.
193 On an unlock action (such as SHM_UNLOCK), the unlocker (eg: shmctl()) must scan
194 the pages in the region and "rescue" them from the unevictable list if no other
195 condition is keeping them unevictable.  If an unevictable region is destroyed,
196 the pages are also "rescued" from the unevictable list in the process of
197 freeing them.
199 page_evictable() also checks for mlocked pages by testing an additional page
200 flag, PG_mlocked (as wrapped by PageMlocked()).  If the page is NOT mlocked,
201 and a non-NULL VMA is supplied, page_evictable() will check whether the VMA is
202 VM_LOCKED via is_mlocked_vma().  is_mlocked_vma() will SetPageMlocked() and
203 update the appropriate statistics if the vma is VM_LOCKED.  This method allows
204 efficient "culling" of pages in the fault path that are being faulted in to
205 VM_LOCKED VMAs.
208 VMSCAN'S HANDLING OF UNEVICTABLE PAGES
209 --------------------------------------
211 If unevictable pages are culled in the fault path, or moved to the unevictable
212 list at mlock() or mmap() time, vmscan will not encounter the pages until they
213 have become evictable again (via munlock() for example) and have been "rescued"
214 from the unevictable list.  However, there may be situations where we decide,
215 for the sake of expediency, to leave a unevictable page on one of the regular
216 active/inactive LRU lists for vmscan to deal with.  vmscan checks for such
217 pages in all of the shrink_{active|inactive|page}_list() functions and will
218 "cull" such pages that it encounters: that is, it diverts those pages to the
219 unevictable list for the zone being scanned.
221 There may be situations where a page is mapped into a VM_LOCKED VMA, but the
222 page is not marked as PG_mlocked.  Such pages will make it all the way to
223 shrink_page_list() where they will be detected when vmscan walks the reverse
224 map in try_to_unmap().  If try_to_unmap() returns SWAP_MLOCK,
225 shrink_page_list() will cull the page at that point.
227 To "cull" an unevictable page, vmscan simply puts the page back on the LRU list
228 using putback_lru_page() - the inverse operation to isolate_lru_page() - after
229 dropping the page lock.  Because the condition which makes the page unevictable
230 may change once the page is unlocked, putback_lru_page() will recheck the
231 unevictable state of a page that it places on the unevictable list.  If the
232 page has become unevictable, putback_lru_page() removes it from the list and
233 retries, including the page_unevictable() test.  Because such a race is a rare
234 event and movement of pages onto the unevictable list should be rare, these
235 extra evictabilty checks should not occur in the majority of calls to
236 putback_lru_page().
239 =============
240 MLOCKED PAGES
241 =============
243 The unevictable page list is also useful for mlock(), in addition to ramfs and
244 SYSV SHM.  Note that mlock() is only available in CONFIG_MMU=y situations; in
245 NOMMU situations, all mappings are effectively mlocked.
248 HISTORY
249 -------
251 The "Unevictable mlocked Pages" infrastructure is based on work originally
252 posted by Nick Piggin in an RFC patch entitled "mm: mlocked pages off LRU".
253 Nick posted his patch as an alternative to a patch posted by Christoph Lameter
254 to achieve the same objective: hiding mlocked pages from vmscan.
256 In Nick's patch, he used one of the struct page LRU list link fields as a count
257 of VM_LOCKED VMAs that map the page.  This use of the link field for a count
258 prevented the management of the pages on an LRU list, and thus mlocked pages
259 were not migratable as isolate_lru_page() could not find them, and the LRU list
260 link field was not available to the migration subsystem.
262 Nick resolved this by putting mlocked pages back on the lru list before
263 attempting to isolate them, thus abandoning the count of VM_LOCKED VMAs.  When
264 Nick's patch was integrated with the Unevictable LRU work, the count was
265 replaced by walking the reverse map to determine whether any VM_LOCKED VMAs
266 mapped the page.  More on this below.
269 BASIC MANAGEMENT
270 ----------------
272 mlocked pages - pages mapped into a VM_LOCKED VMA - are a class of unevictable
273 pages.  When such a page has been "noticed" by the memory management subsystem,
274 the page is marked with the PG_mlocked flag.  This can be manipulated using the
275 PageMlocked() functions.
277 A PG_mlocked page will be placed on the unevictable list when it is added to
278 the LRU.  Such pages can be "noticed" by memory management in several places:
280  (1) in the mlock()/mlockall() system call handlers;
282  (2) in the mmap() system call handler when mmapping a region with the
283      MAP_LOCKED flag;
285  (3) mmapping a region in a task that has called mlockall() with the MCL_FUTURE
286      flag
288  (4) in the fault path, if mlocked pages are "culled" in the fault path,
289      and when a VM_LOCKED stack segment is expanded; or
291  (5) as mentioned above, in vmscan:shrink_page_list() when attempting to
292      reclaim a page in a VM_LOCKED VMA via try_to_unmap()
294 all of which result in the VM_LOCKED flag being set for the VMA if it doesn't
295 already have it set.
297 mlocked pages become unlocked and rescued from the unevictable list when:
299  (1) mapped in a range unlocked via the munlock()/munlockall() system calls;
301  (2) munmap()'d out of the last VM_LOCKED VMA that maps the page, including
302      unmapping at task exit;
304  (3) when the page is truncated from the last VM_LOCKED VMA of an mmapped file;
305      or
307  (4) before a page is COW'd in a VM_LOCKED VMA.
310 mlock()/mlockall() SYSTEM CALL HANDLING
311 ---------------------------------------
313 Both [do_]mlock() and [do_]mlockall() system call handlers call mlock_fixup()
314 for each VMA in the range specified by the call.  In the case of mlockall(),
315 this is the entire active address space of the task.  Note that mlock_fixup()
316 is used for both mlocking and munlocking a range of memory.  A call to mlock()
317 an already VM_LOCKED VMA, or to munlock() a VMA that is not VM_LOCKED is
318 treated as a no-op, and mlock_fixup() simply returns.
320 If the VMA passes some filtering as described in "Filtering Special Vmas"
321 below, mlock_fixup() will attempt to merge the VMA with its neighbors or split
322 off a subset of the VMA if the range does not cover the entire VMA.  Once the
323 VMA has been merged or split or neither, mlock_fixup() will call
324 __mlock_vma_pages_range() to fault in the pages via get_user_pages() and to
325 mark the pages as mlocked via mlock_vma_page().
327 Note that the VMA being mlocked might be mapped with PROT_NONE.  In this case,
328 get_user_pages() will be unable to fault in the pages.  That's okay.  If pages
329 do end up getting faulted into this VM_LOCKED VMA, we'll handle them in the
330 fault path or in vmscan.
332 Also note that a page returned by get_user_pages() could be truncated or
333 migrated out from under us, while we're trying to mlock it.  To detect this,
334 __mlock_vma_pages_range() checks page_mapping() after acquiring the page lock.
335 If the page is still associated with its mapping, we'll go ahead and call
336 mlock_vma_page().  If the mapping is gone, we just unlock the page and move on.
337 In the worst case, this will result in a page mapped in a VM_LOCKED VMA
338 remaining on a normal LRU list without being PageMlocked().  Again, vmscan will
339 detect and cull such pages.
341 mlock_vma_page() will call TestSetPageMlocked() for each page returned by
342 get_user_pages().  We use TestSetPageMlocked() because the page might already
343 be mlocked by another task/VMA and we don't want to do extra work.  We
344 especially do not want to count an mlocked page more than once in the
345 statistics.  If the page was already mlocked, mlock_vma_page() need do nothing
346 more.
348 If the page was NOT already mlocked, mlock_vma_page() attempts to isolate the
349 page from the LRU, as it is likely on the appropriate active or inactive list
350 at that time.  If the isolate_lru_page() succeeds, mlock_vma_page() will put
351 back the page - by calling putback_lru_page() - which will notice that the page
352 is now mlocked and divert the page to the zone's unevictable list.  If
353 mlock_vma_page() is unable to isolate the page from the LRU, vmscan will handle
354 it later if and when it attempts to reclaim the page.
357 FILTERING SPECIAL VMAS
358 ----------------------
360 mlock_fixup() filters several classes of "special" VMAs:
362 1) VMAs with VM_IO or VM_PFNMAP set are skipped entirely.  The pages behind
363    these mappings are inherently pinned, so we don't need to mark them as
364    mlocked.  In any case, most of the pages have no struct page in which to so
365    mark the page.  Because of this, get_user_pages() will fail for these VMAs,
366    so there is no sense in attempting to visit them.
368 2) VMAs mapping hugetlbfs page are already effectively pinned into memory.  We
369    neither need nor want to mlock() these pages.  However, to preserve the
370    prior behavior of mlock() - before the unevictable/mlock changes -
371    mlock_fixup() will call make_pages_present() in the hugetlbfs VMA range to
372    allocate the huge pages and populate the ptes.
374 3) VMAs with VM_DONTEXPAND or VM_RESERVED are generally userspace mappings of
375    kernel pages, such as the VDSO page, relay channel pages, etc.  These pages
376    are inherently unevictable and are not managed on the LRU lists.
377    mlock_fixup() treats these VMAs the same as hugetlbfs VMAs.  It calls
378    make_pages_present() to populate the ptes.
380 Note that for all of these special VMAs, mlock_fixup() does not set the
381 VM_LOCKED flag.  Therefore, we won't have to deal with them later during
382 munlock(), munmap() or task exit.  Neither does mlock_fixup() account these
383 VMAs against the task's "locked_vm".
386 munlock()/munlockall() SYSTEM CALL HANDLING
387 -------------------------------------------
389 The munlock() and munlockall() system calls are handled by the same functions -
390 do_mlock[all]() - as the mlock() and mlockall() system calls with the unlock vs
391 lock operation indicated by an argument.  So, these system calls are also
392 handled by mlock_fixup().  Again, if called for an already munlocked VMA,
393 mlock_fixup() simply returns.  Because of the VMA filtering discussed above,
394 VM_LOCKED will not be set in any "special" VMAs.  So, these VMAs will be
395 ignored for munlock.
397 If the VMA is VM_LOCKED, mlock_fixup() again attempts to merge or split off the
398 specified range.  The range is then munlocked via the function
399 __mlock_vma_pages_range() - the same function used to mlock a VMA range -
400 passing a flag to indicate that munlock() is being performed.
402 Because the VMA access protections could have been changed to PROT_NONE after
403 faulting in and mlocking pages, get_user_pages() was unreliable for visiting
404 these pages for munlocking.  Because we don't want to leave pages mlocked,
405 get_user_pages() was enhanced to accept a flag to ignore the permissions when
406 fetching the pages - all of which should be resident as a result of previous
407 mlocking.
409 For munlock(), __mlock_vma_pages_range() unlocks individual pages by calling
410 munlock_vma_page().  munlock_vma_page() unconditionally clears the PG_mlocked
411 flag using TestClearPageMlocked().  As with mlock_vma_page(),
412 munlock_vma_page() use the Test*PageMlocked() function to handle the case where
413 the page might have already been unlocked by another task.  If the page was
414 mlocked, munlock_vma_page() updates that zone statistics for the number of
415 mlocked pages.  Note, however, that at this point we haven't checked whether
416 the page is mapped by other VM_LOCKED VMAs.
418 We can't call try_to_munlock(), the function that walks the reverse map to
419 check for other VM_LOCKED VMAs, without first isolating the page from the LRU.
420 try_to_munlock() is a variant of try_to_unmap() and thus requires that the page
421 not be on an LRU list [more on these below].  However, the call to
422 isolate_lru_page() could fail, in which case we couldn't try_to_munlock().  So,
423 we go ahead and clear PG_mlocked up front, as this might be the only chance we
424 have.  If we can successfully isolate the page, we go ahead and
425 try_to_munlock(), which will restore the PG_mlocked flag and update the zone
426 page statistics if it finds another VMA holding the page mlocked.  If we fail
427 to isolate the page, we'll have left a potentially mlocked page on the LRU.
428 This is fine, because we'll catch it later if and if vmscan tries to reclaim
429 the page.  This should be relatively rare.
432 MIGRATING MLOCKED PAGES
433 -----------------------
435 A page that is being migrated has been isolated from the LRU lists and is held
436 locked across unmapping of the page, updating the page's address space entry
437 and copying the contents and state, until the page table entry has been
438 replaced with an entry that refers to the new page.  Linux supports migration
439 of mlocked pages and other unevictable pages.  This involves simply moving the
440 PG_mlocked and PG_unevictable states from the old page to the new page.
442 Note that page migration can race with mlocking or munlocking of the same page.
443 This has been discussed from the mlock/munlock perspective in the respective
444 sections above.  Both processes (migration and m[un]locking) hold the page
445 locked.  This provides the first level of synchronization.  Page migration
446 zeros out the page_mapping of the old page before unlocking it, so m[un]lock
447 can skip these pages by testing the page mapping under page lock.
449 To complete page migration, we place the new and old pages back onto the LRU
450 after dropping the page lock.  The "unneeded" page - old page on success, new
451 page on failure - will be freed when the reference count held by the migration
452 process is released.  To ensure that we don't strand pages on the unevictable
453 list because of a race between munlock and migration, page migration uses the
454 putback_lru_page() function to add migrated pages back to the LRU.
457 mmap(MAP_LOCKED) SYSTEM CALL HANDLING
458 -------------------------------------
460 In addition the the mlock()/mlockall() system calls, an application can request
461 that a region of memory be mlocked supplying the MAP_LOCKED flag to the mmap()
462 call.  Furthermore, any mmap() call or brk() call that expands the heap by a
463 task that has previously called mlockall() with the MCL_FUTURE flag will result
464 in the newly mapped memory being mlocked.  Before the unevictable/mlock
465 changes, the kernel simply called make_pages_present() to allocate pages and
466 populate the page table.
468 To mlock a range of memory under the unevictable/mlock infrastructure, the
469 mmap() handler and task address space expansion functions call
470 mlock_vma_pages_range() specifying the vma and the address range to mlock.
471 mlock_vma_pages_range() filters VMAs like mlock_fixup(), as described above in
472 "Filtering Special VMAs".  It will clear the VM_LOCKED flag, which will have
473 already been set by the caller, in filtered VMAs.  Thus these VMA's need not be
474 visited for munlock when the region is unmapped.
476 For "normal" VMAs, mlock_vma_pages_range() calls __mlock_vma_pages_range() to
477 fault/allocate the pages and mlock them.  Again, like mlock_fixup(),
478 mlock_vma_pages_range() downgrades the mmap semaphore to read mode before
479 attempting to fault/allocate and mlock the pages and "upgrades" the semaphore
480 back to write mode before returning.
482 The callers of mlock_vma_pages_range() will have already added the memory range
483 to be mlocked to the task's "locked_vm".  To account for filtered VMAs,
484 mlock_vma_pages_range() returns the number of pages NOT mlocked.  All of the
485 callers then subtract a non-negative return value from the task's locked_vm.  A
486 negative return value represent an error - for example, from get_user_pages()
487 attempting to fault in a VMA with PROT_NONE access.  In this case, we leave the
488 memory range accounted as locked_vm, as the protections could be changed later
489 and pages allocated into that region.
492 munmap()/exit()/exec() SYSTEM CALL HANDLING
493 -------------------------------------------
495 When unmapping an mlocked region of memory, whether by an explicit call to
496 munmap() or via an internal unmap from exit() or exec() processing, we must
497 munlock the pages if we're removing the last VM_LOCKED VMA that maps the pages.
498 Before the unevictable/mlock changes, mlocking did not mark the pages in any
499 way, so unmapping them required no processing.
501 To munlock a range of memory under the unevictable/mlock infrastructure, the
502 munmap() handler and task address space call tear down function
503 munlock_vma_pages_all().  The name reflects the observation that one always
504 specifies the entire VMA range when munlock()ing during unmap of a region.
505 Because of the VMA filtering when mlocking() regions, only "normal" VMAs that
506 actually contain mlocked pages will be passed to munlock_vma_pages_all().
508 munlock_vma_pages_all() clears the VM_LOCKED VMA flag and, like mlock_fixup()
509 for the munlock case, calls __munlock_vma_pages_range() to walk the page table
510 for the VMA's memory range and munlock_vma_page() each resident page mapped by
511 the VMA.  This effectively munlocks the page, only if this is the last
512 VM_LOCKED VMA that maps the page.
515 try_to_unmap()
516 --------------
518 Pages can, of course, be mapped into multiple VMAs.  Some of these VMAs may
519 have VM_LOCKED flag set.  It is possible for a page mapped into one or more
520 VM_LOCKED VMAs not to have the PG_mlocked flag set and therefore reside on one
521 of the active or inactive LRU lists.  This could happen if, for example, a task
522 in the process of munlocking the page could not isolate the page from the LRU.
523 As a result, vmscan/shrink_page_list() might encounter such a page as described
524 in section "vmscan's handling of unevictable pages".  To handle this situation,
525 try_to_unmap() checks for VM_LOCKED VMAs while it is walking a page's reverse
526 map.
528 try_to_unmap() is always called, by either vmscan for reclaim or for page
529 migration, with the argument page locked and isolated from the LRU.  Separate
530 functions handle anonymous and mapped file pages, as these types of pages have
531 different reverse map mechanisms.
533  (*) try_to_unmap_anon()
535      To unmap anonymous pages, each VMA in the list anchored in the anon_vma
536      must be visited - at least until a VM_LOCKED VMA is encountered.  If the
537      page is being unmapped for migration, VM_LOCKED VMAs do not stop the
538      process because mlocked pages are migratable.  However, for reclaim, if
539      the page is mapped into a VM_LOCKED VMA, the scan stops.
541      try_to_unmap_anon() attempts to acquire in read mode the mmap semphore of
542      the mm_struct to which the VMA belongs.  If this is successful, it will
543      mlock the page via mlock_vma_page() - we wouldn't have gotten to
544      try_to_unmap_anon() if the page were already mlocked - and will return
545      SWAP_MLOCK, indicating that the page is unevictable.
547      If the mmap semaphore cannot be acquired, we are not sure whether the page
548      is really unevictable or not.  In this case, try_to_unmap_anon() will
549      return SWAP_AGAIN.
551  (*) try_to_unmap_file() - linear mappings
553      Unmapping of a mapped file page works the same as for anonymous mappings,
554      except that the scan visits all VMAs that map the page's index/page offset
555      in the page's mapping's reverse map priority search tree.  It also visits
556      each VMA in the page's mapping's non-linear list, if the list is
557      non-empty.
559      As for anonymous pages, on encountering a VM_LOCKED VMA for a mapped file
560      page, try_to_unmap_file() will attempt to acquire the associated
561      mm_struct's mmap semaphore to mlock the page, returning SWAP_MLOCK if this
562      is successful, and SWAP_AGAIN, if not.
564  (*) try_to_unmap_file() - non-linear mappings
566      If a page's mapping contains a non-empty non-linear mapping VMA list, then
567      try_to_un{map|lock}() must also visit each VMA in that list to determine
568      whether the page is mapped in a VM_LOCKED VMA.  Again, the scan must visit
569      all VMAs in the non-linear list to ensure that the pages is not/should not
570      be mlocked.
572      If a VM_LOCKED VMA is found in the list, the scan could terminate.
573      However, there is no easy way to determine whether the page is actually
574      mapped in a given VMA - either for unmapping or testing whether the
575      VM_LOCKED VMA actually pins the page.
577      try_to_unmap_file() handles non-linear mappings by scanning a certain
578      number of pages - a "cluster" - in each non-linear VMA associated with the
579      page's mapping, for each file mapped page that vmscan tries to unmap.  If
580      this happens to unmap the page we're trying to unmap, try_to_unmap() will
581      notice this on return (page_mapcount(page) will be 0) and return
582      SWAP_SUCCESS.  Otherwise, it will return SWAP_AGAIN, causing vmscan to
583      recirculate this page.  We take advantage of the cluster scan in
584      try_to_unmap_cluster() as follows:
586         For each non-linear VMA, try_to_unmap_cluster() attempts to acquire the
587         mmap semaphore of the associated mm_struct for read without blocking.
589         If this attempt is successful and the VMA is VM_LOCKED,
590         try_to_unmap_cluster() will retain the mmap semaphore for the scan;
591         otherwise it drops it here.
593         Then, for each page in the cluster, if we're holding the mmap semaphore
594         for a locked VMA, try_to_unmap_cluster() calls mlock_vma_page() to
595         mlock the page.  This call is a no-op if the page is already locked,
596         but will mlock any pages in the non-linear mapping that happen to be
597         unlocked.
599         If one of the pages so mlocked is the page passed in to try_to_unmap(),
600         try_to_unmap_cluster() will return SWAP_MLOCK, rather than the default
601         SWAP_AGAIN.  This will allow vmscan to cull the page, rather than
602         recirculating it on the inactive list.
604         Again, if try_to_unmap_cluster() cannot acquire the VMA's mmap sem, it
605         returns SWAP_AGAIN, indicating that the page is mapped by a VM_LOCKED
606         VMA, but couldn't be mlocked.
609 try_to_munlock() REVERSE MAP SCAN
610 ---------------------------------
612  [!] TODO/FIXME: a better name might be page_mlocked() - analogous to the
613      page_referenced() reverse map walker.
615 When munlock_vma_page() [see section "munlock()/munlockall() System Call
616 Handling" above] tries to munlock a page, it needs to determine whether or not
617 the page is mapped by any VM_LOCKED VMA without actually attempting to unmap
618 all PTEs from the page.  For this purpose, the unevictable/mlock infrastructure
619 introduced a variant of try_to_unmap() called try_to_munlock().
621 try_to_munlock() calls the same functions as try_to_unmap() for anonymous and
622 mapped file pages with an additional argument specifing unlock versus unmap
623 processing.  Again, these functions walk the respective reverse maps looking
624 for VM_LOCKED VMAs.  When such a VMA is found for anonymous pages and file
625 pages mapped in linear VMAs, as in the try_to_unmap() case, the functions
626 attempt to acquire the associated mmap semphore, mlock the page via
627 mlock_vma_page() and return SWAP_MLOCK.  This effectively undoes the
628 pre-clearing of the page's PG_mlocked done by munlock_vma_page.
630 If try_to_unmap() is unable to acquire a VM_LOCKED VMA's associated mmap
631 semaphore, it will return SWAP_AGAIN.  This will allow shrink_page_list() to
632 recycle the page on the inactive list and hope that it has better luck with the
633 page next time.
635 For file pages mapped into non-linear VMAs, the try_to_munlock() logic works
636 slightly differently.  On encountering a VM_LOCKED non-linear VMA that might
637 map the page, try_to_munlock() returns SWAP_AGAIN without actually mlocking the
638 page.  munlock_vma_page() will just leave the page unlocked and let vmscan deal
639 with it - the usual fallback position.
641 Note that try_to_munlock()'s reverse map walk must visit every VMA in a page's
642 reverse map to determine that a page is NOT mapped into any VM_LOCKED VMA.
643 However, the scan can terminate when it encounters a VM_LOCKED VMA and can
644 successfully acquire the VMA's mmap semphore for read and mlock the page.
645 Although try_to_munlock() might be called a great many times when munlocking a
646 large region or tearing down a large address space that has been mlocked via
647 mlockall(), overall this is a fairly rare event.
650 PAGE RECLAIM IN shrink_*_list()
651 -------------------------------
653 shrink_active_list() culls any obviously unevictable pages - i.e.
654 !page_evictable(page, NULL) - diverting these to the unevictable list.
655 However, shrink_active_list() only sees unevictable pages that made it onto the
656 active/inactive lru lists.  Note that these pages do not have PageUnevictable
657 set - otherwise they would be on the unevictable list and shrink_active_list
658 would never see them.
660 Some examples of these unevictable pages on the LRU lists are:
662  (1) ramfs pages that have been placed on the LRU lists when first allocated.
664  (2) SHM_LOCK'd shared memory pages.  shmctl(SHM_LOCK) does not attempt to
665      allocate or fault in the pages in the shared memory region.  This happens
666      when an application accesses the page the first time after SHM_LOCK'ing
667      the segment.
669  (3) mlocked pages that could not be isolated from the LRU and moved to the
670      unevictable list in mlock_vma_page().
672  (4) Pages mapped into multiple VM_LOCKED VMAs, but try_to_munlock() couldn't
673      acquire the VMA's mmap semaphore to test the flags and set PageMlocked.
674      munlock_vma_page() was forced to let the page back on to the normal LRU
675      list for vmscan to handle.
677 shrink_inactive_list() also diverts any unevictable pages that it finds on the
678 inactive lists to the appropriate zone's unevictable list.
680 shrink_inactive_list() should only see SHM_LOCK'd pages that became SHM_LOCK'd
681 after shrink_active_list() had moved them to the inactive list, or pages mapped
682 into VM_LOCKED VMAs that munlock_vma_page() couldn't isolate from the LRU to
683 recheck via try_to_munlock().  shrink_inactive_list() won't notice the latter,
684 but will pass on to shrink_page_list().
686 shrink_page_list() again culls obviously unevictable pages that it could
687 encounter for similar reason to shrink_inactive_list().  Pages mapped into
688 VM_LOCKED VMAs but without PG_mlocked set will make it all the way to
689 try_to_unmap().  shrink_page_list() will divert them to the unevictable list
690 when try_to_unmap() returns SWAP_MLOCK, as discussed above.