Documentation/memory-hotplug.txt

   1 ==============
   2 Memory Hotplug
   3 ==============
   4
   5 Created:                                        Jul 28 2007
   6 Add description of notifier of memory hotplug   Oct 11 2007
   7
   8 This document is about memory hotplug including how-to-use and current status.
   9 Because Memory Hotplug is still under development, contents of this text will
  10 be changed often.
  11
  12 1. Introduction
  13   1.1 purpose of memory hotplug
  14   1.2. Phases of memory hotplug
  15   1.3. Unit of Memory online/offline operation
  16 2. Kernel Configuration
  17 3. sysfs files for memory hotplug
  18 4. Physical memory hot-add phase
  19   4.1 Hardware(Firmware) Support
  20   4.2 Notify memory hot-add event by hand
  21 5. Logical Memory hot-add phase
  22   5.1. State of memory
  23   5.2. How to online memory
  24 6. Logical memory remove
  25   6.1 Memory offline and ZONE_MOVABLE
  26   6.2. How to offline memory
  27 7. Physical memory remove
  28 8. Memory hotplug event notifier
  29 9. Future Work List
  30
  31 Note(1): x86_64's has special implementation for memory hotplug.
  32          This text does not describe it.
  33 Note(2): This text assumes that sysfs is mounted at /sys.
  34
  35
  36 ---------------
  37 1. Introduction
  38 ---------------
  39
  40 1.1 purpose of memory hotplug
  41 ------------
  42 Memory Hotplug allows users to increase/decrease the amount of memory.
  43 Generally, there are two purposes.
  44
  45 (A) For changing the amount of memory.
  46     This is to allow a feature like capacity on demand.
  47 (B) For installing/removing DIMMs or NUMA-nodes physically.
  48     This is to exchange DIMMs/NUMA-nodes, reduce power consumption, etc.
  49
  50 (A) is required by highly virtualized environments and (B) is required by
  51 hardware which supports memory power management.
  52
  53 Linux memory hotplug is designed for both purpose.
  54
  55
  56 1.2. Phases of memory hotplug
  57 ---------------
  58 There are 2 phases in Memory Hotplug.
  59   1) Physical Memory Hotplug phase
  60   2) Logical Memory Hotplug phase.
  61
  62 The First phase is to communicate hardware/firmware and make/erase
  63 environment for hotplugged memory. Basically, this phase is necessary
  64 for the purpose (B), but this is good phase for communication between
  65 highly virtualized environments too.
  66
  67 When memory is hotplugged, the kernel recognizes new memory, makes new memory
  68 management tables, and makes sysfs files for new memory's operation.
  69
  70 If firmware supports notification of connection of new memory to OS,
  71 this phase is triggered automatically. ACPI can notify this event. If not,
  72 "probe" operation by system administration is used instead.
  73 (see Section 4.).
  74
  75 Logical Memory Hotplug phase is to change memory state into
  76 available/unavailable for users. Amount of memory from user's view is
  77 changed by this phase. The kernel makes all memory in it as free pages
  78 when a memory range is available.
  79
  80 In this document, this phase is described as online/offline.
  81
  82 Logical Memory Hotplug phase is triggered by write of sysfs file by system
  83 administrator. For the hot-add case, it must be executed after Physical Hotplug
  84 phase by hand.
  85 (However, if you writes udev's hotplug scripts for memory hotplug, these
  86  phases can be execute in seamless way.)
  87
  88
  89 1.3. Unit of Memory online/offline operation
  90 ------------
  91 Memory hotplug uses SPARSEMEM memory model. SPARSEMEM divides the whole memory
  92 into chunks of the same size. The chunk is called a "section". The size of
  93 a section is architecture dependent. For example, power uses 16MiB, ia64 uses
  94 1GiB. The unit of online/offline operation is "one section". (see Section 3.)
  95
  96 To determine the size of sections, please read this file:
  97
  98 /sys/devices/system/memory/block_size_bytes
  99
 100 This file shows the size of sections in byte.
 101
 102 -----------------------
 103 2. Kernel Configuration
 104 -----------------------
 105 To use memory hotplug feature, kernel must be compiled with following
 106 config options.
 107
 108 - For all memory hotplug
 109     Memory model -> Sparse Memory  (CONFIG_SPARSEMEM)
 110     Allow for memory hot-add       (CONFIG_MEMORY_HOTPLUG)
 111
 112 - To enable memory removal, the followings are also necessary
 113     Allow for memory hot remove    (CONFIG_MEMORY_HOTREMOVE)
 114     Page Migration                 (CONFIG_MIGRATION)
 115
 116 - For ACPI memory hotplug, the followings are also necessary
 117     Memory hotplug (under ACPI Support menu) (CONFIG_ACPI_HOTPLUG_MEMORY)
 118     This option can be kernel module.
 119
 120 - As a related configuration, if your box has a feature of NUMA-node hotplug
 121   via ACPI, then this option is necessary too.
 122     ACPI0004,PNP0A05 and PNP0A06 Container Driver (under ACPI Support menu)
 123     (CONFIG_ACPI_CONTAINER).
 124     This option can be kernel module too.
 125
 126 --------------------------------
 127 4 sysfs files for memory hotplug
 128 --------------------------------
 129 All sections have their device information under /sys/devices/system/memory as
 130
 131 /sys/devices/system/memory/memoryXXX
 132 (XXX is section id.)
 133
 134 Now, XXX is defined as start_address_of_section / section_size.
 135
 136 For example, assume 1GiB section size. A device for a memory starting at
 137 0x100000000 is /sys/device/system/memory/memory4
 138 (0x100000000 / 1Gib = 4)
 139 This device covers address range [0x100000000 ... 0x140000000)
 140
 141 Under each section, you can see 4 files.
 142
 143 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_index
 144 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/phys_device
 145 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
 146 /sys/devices/system/memory/memoryXXX/removable
 147
 148 'phys_index' : read-only and contains section id, same as XXX.
 149 'state'      : read-write
 150                at read:  contains online/offline state of memory.
 151                at write: user can specify "online", "offline" command
 152 'phys_device': read-only: designed to show the name of physical memory device.
 153                This is not well implemented now.
 154 'removable'  : read-only: contains an integer value indicating
 155                whether the memory section is removable or not
 156                removable.  A value of 1 indicates that the memory
 157                section is removable and a value of 0 indicates that
 158                it is not removable.
 159
 160 NOTE:
 161   These directories/files appear after physical memory hotplug phase.
 162
 163 If CONFIG_NUMA is enabled the
 164 /sys/devices/system/memory/memoryXXX memory section
 165 directories can also be accessed via symbolic links located in
 166 the /sys/devices/system/node/node* directories.  For example:
 167 /sys/devices/system/node/node0/memory9 -> ../../memory/memory9
 168
 169 --------------------------------
 170 4. Physical memory hot-add phase
 171 --------------------------------
 172
 173 4.1 Hardware(Firmware) Support
 174 ------------
 175 On x86_64/ia64 platform, memory hotplug by ACPI is supported.
 176
 177 In general, the firmware (ACPI) which supports memory hotplug defines
 178 memory class object of _HID "PNP0C80". When a notify is asserted to PNP0C80,
 179 Linux's ACPI handler does hot-add memory to the system and calls a hotplug udev
 180 script. This will be done automatically.
 181
 182 But scripts for memory hotplug are not contained in generic udev package(now).
 183 You may have to write it by yourself or online/offline memory by hand.
 184 Please see "How to online memory", "How to offline memory" in this text.
 185
 186 If firmware supports NUMA-node hotplug, and defines an object _HID "ACPI0004",
 187 "PNP0A05", or "PNP0A06", notification is asserted to it, and ACPI handler
 188 calls hotplug code for all of objects which are defined in it.
 189 If memory device is found, memory hotplug code will be called.
 190
 191
 192 4.2 Notify memory hot-add event by hand
 193 ------------
 194 In some environments, especially virtualized environment, firmware will not
 195 notify memory hotplug event to the kernel. For such environment, "probe"
 196 interface is supported. This interface depends on CONFIG_ARCH_MEMORY_PROBE.
 197
 198 Now, CONFIG_ARCH_MEMORY_PROBE is supported only by powerpc but it does not
 199 contain highly architecture codes. Please add config if you need "probe"
 200 interface.
 201
 202 Probe interface is located at
 203 /sys/devices/system/memory/probe
 204
 205 You can tell the physical address of new memory to the kernel by
 206
 207 % echo start_address_of_new_memory > /sys/devices/system/memory/probe
 208
 209 Then, [start_address_of_new_memory, start_address_of_new_memory + section_size)
 210 memory range is hot-added. In this case, hotplug script is not called (in
 211 current implementation). You'll have to online memory by yourself.
 212 Please see "How to online memory" in this text.
 213
 214
 215
 216 ------------------------------
 217 5. Logical Memory hot-add phase
 218 ------------------------------
 219
 220 5.1. State of memory
 221 ------------
 222 To see (online/offline) state of memory section, read 'state' file.
 223
 224 % cat /sys/device/system/memory/memoryXXX/state
 225
 226
 227 If the memory section is online, you'll read "online".
 228 If the memory section is offline, you'll read "offline".
 229
 230
 231 5.2. How to online memory
 232 ------------
 233 Even if the memory is hot-added, it is not at ready-to-use state.
 234 For using newly added memory, you have to "online" the memory section.
 235
 236 For onlining, you have to write "online" to the section's state file as:
 237
 238 % echo online > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
 239
 240 After this, section memoryXXX's state will be 'online' and the amount of
 241 available memory will be increased.
 242
 243 Currently, newly added memory is added as ZONE_NORMAL (for powerpc, ZONE_DMA).
 244 This may be changed in future.
 245
 246
 247
 248 ------------------------
 249 6. Logical memory remove
 250 ------------------------
 251
 252 6.1 Memory offline and ZONE_MOVABLE
 253 ------------
 254 Memory offlining is more complicated than memory online. Because memory offline
 255 has to make the whole memory section be unused, memory offline can fail if
 256 the section includes memory which cannot be freed.
 257
 258 In general, memory offline can use 2 techniques.
 259
 260 (1) reclaim and free all memory in the section.
 261 (2) migrate all pages in the section.
 262
 263 In the current implementation, Linux's memory offline uses method (2), freeing
 264 all  pages in the section by page migration. But not all pages are
 265 migratable. Under current Linux, migratable pages are anonymous pages and
 266 page caches. For offlining a section by migration, the kernel has to guarantee
 267 that the section contains only migratable pages.
 268
 269 Now, a boot option for making a section which consists of migratable pages is
 270 supported. By specifying "kernelcore=" or "movablecore=" boot option, you can
 271 create ZONE_MOVABLE...a zone which is just used for movable pages.
 272 (See also Documentation/kernel-parameters.txt)
 273
 274 Assume the system has "TOTAL" amount of memory at boot time, this boot option
 275 creates ZONE_MOVABLE as following.
 276
 277 1) When kernelcore=YYYY boot option is used,
 278   Size of memory not for movable pages (not for offline) is YYYY.
 279   Size of memory for movable pages (for offline) is TOTAL-YYYY.
 280
 281 2) When movablecore=ZZZZ boot option is used,
 282   Size of memory not for movable pages (not for offline) is TOTAL - ZZZZ.
 283   Size of memory for movable pages (for offline) is ZZZZ.
 284
 285
 286 Note) Unfortunately, there is no information to show which section belongs
 287 to ZONE_MOVABLE. This is TBD.
 288
 289
 290 6.2. How to offline memory
 291 ------------
 292 You can offline a section by using the same sysfs interface that was used in
 293 memory onlining.
 294
 295 % echo offline > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state
 296
 297 If offline succeeds, the state of the memory section is changed to be "offline".
 298 If it fails, some error core (like -EBUSY) will be returned by the kernel.
 299 Even if a section does not belong to ZONE_MOVABLE, you can try to offline it.
 300 If it doesn't contain 'unmovable' memory, you'll get success.
 301
 302 A section under ZONE_MOVABLE is considered to be able to be offlined easily.
 303 But under some busy state, it may return -EBUSY. Even if a memory section
 304 cannot be offlined due to -EBUSY, you can retry offlining it and may be able to
 305 offline it (or not).
 306 (For example, a page is referred to by some kernel internal call and released
 307  soon.)
 308
 309 Consideration:
 310 Memory hotplug's design direction is to make the possibility of memory offlining
 311 higher and to guarantee unplugging memory under any situation. But it needs
 312 more work. Returning -EBUSY under some situation may be good because the user
 313 can decide to retry more or not by himself. Currently, memory offlining code
 314 does some amount of retry with 120 seconds timeout.
 315
 316 -------------------------
 317 7. Physical memory remove
 318 -------------------------
 319 Need more implementation yet....
 320  - Notification completion of remove works by OS to firmware.
 321  - Guard from remove if not yet.
 322
 323 --------------------------------
 324 8. Memory hotplug event notifier
 325 --------------------------------
 326 Memory hotplug has event notifer. There are 6 types of notification.
 327
 328 MEMORY_GOING_ONLINE
 329   Generated before new memory becomes available in order to be able to
 330   prepare subsystems to handle memory. The page allocator is still unable
 331   to allocate from the new memory.
 332
 333 MEMORY_CANCEL_ONLINE
 334   Generated if MEMORY_GOING_ONLINE fails.
 335
 336 MEMORY_ONLINE
 337   Generated when memory has successfully brought online. The callback may
 338   allocate pages from the new memory.
 339
 340 MEMORY_GOING_OFFLINE
 341   Generated to begin the process of offlining memory. Allocations are no
 342   longer possible from the memory but some of the memory to be offlined
 343   is still in use. The callback can be used to free memory known to a
 344   subsystem from the indicated memory section.
 345
 346 MEMORY_CANCEL_OFFLINE
 347   Generated if MEMORY_GOING_OFFLINE fails. Memory is available again from
 348   the section that we attempted to offline.
 349
 350 MEMORY_OFFLINE
 351   Generated after offlining memory is complete.
 352
 353 A callback routine can be registered by
 354   hotplug_memory_notifier(callback_func, priority)
 355
 356 The second argument of callback function (action) is event types of above.
 357 The third argument is passed by pointer of struct memory_notify.
 358
 359 struct memory_notify {
 360        unsigned long start_pfn;
 361        unsigned long nr_pages;
 362        int status_change_nid;
 363 }
 364
 365 start_pfn is start_pfn of online/offline memory.
 366 nr_pages is # of pages of online/offline memory.
 367 status_change_nid is set node id when N_HIGH_MEMORY of nodemask is (will be)
 368 set/clear. It means a new(memoryless) node gets new memory by online and a
 369 node loses all memory. If this is -1, then nodemask status is not changed.
 370 If status_changed_nid >= 0, callback should create/discard structures for the
 371 node if necessary.
 372
 373 --------------
 374 9. Future Work
 375 --------------
 376   - allowing memory hot-add to ZONE_MOVABLE. maybe we need some switch like
 377     sysctl or new control file.
 378   - showing memory section and physical device relationship.
 379   - showing memory section is under ZONE_MOVABLE or not
 380   - test and make it better memory offlining.
 381   - support HugeTLB page migration and offlining.
 382   - memmap removing at memory offline.
 383   - physical remove memory.
 384