malloc: add option --match-allocations
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 .. _Environment_Abstraction_Layer:
5
6 Environment Abstraction Layer
7 =============================
8
9 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
10 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
11 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
12 (that is, memory space, devices, timers, consoles, and so on).
13
14 Typical services expected from the EAL are:
15
16 *   DPDK Loading and Launching:
17     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
18
19 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
20     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
21
22 *   System Memory Reservation:
23     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
24
25 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
26
27 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
28
29 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
30     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
31
32 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
33
34 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
35
36 EAL in a Linux-userland Execution Environment
37 ---------------------------------------------
38
39 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
40
41 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
42 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
43
44 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
45 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
46
47 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
48
49 Initialization and Core Launching
50 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
51
52 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
53 A check is also performed at initialization time to ensure that the micro architecture type chosen in the config file is supported by the CPU.
54 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
55 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
56
57 .. _figure_linuxapp_launch:
58
59 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
60
61    EAL Initialization in a Linux Application Environment
62
63
64 .. note::
65
66     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
67     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
68     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
69     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
70
71 Shutdown and Cleanup
72 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
73
74 During the initialization of EAL resources such as hugepage backed memory can be
75 allocated by core components.  The memory allocated during ``rte_eal_init()``
76 can be released by calling the ``rte_eal_cleanup()`` function. Refer to the
77 API documentation for details.
78
79 Multi-process Support
80 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
81
82 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
83 See chapter
84 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
85
86 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
87 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
88
89 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
90 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
91 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
92
93 There are two modes in which DPDK memory subsystem can operate: dynamic mode,
94 and legacy mode. Both modes are explained below.
95
96 .. note::
97
98     Memory reservations done using the APIs provided by rte_malloc are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
99
100 + Dynamic memory mode
101
102 Currently, this mode is only supported on Linux.
103
104 In this mode, usage of hugepages by DPDK application will grow and shrink based
105 on application's requests. Any memory allocation through ``rte_malloc()``,
106 ``rte_memzone_reserve()`` or other methods, can potentially result in more
107 hugepages being reserved from the system. Similarly, any memory deallocation can
108 potentially result in hugepages being released back to the system.
109
110 Memory allocated in this mode is not guaranteed to be IOVA-contiguous. If large
111 chunks of IOVA-contiguous are required (with "large" defined as "more than one
112 page"), it is recommended to either use VFIO driver for all physical devices (so
113 that IOVA and VA addresses can be the same, thereby bypassing physical addresses
114 entirely), or use legacy memory mode.
115
116 For chunks of memory which must be IOVA-contiguous, it is recommended to use
117 ``rte_memzone_reserve()`` function with ``RTE_MEMZONE_IOVA_CONTIG`` flag
118 specified. This way, memory allocator will ensure that, whatever memory mode is
119 in use, either reserved memory will satisfy the requirements, or the allocation
120 will fail.
121
122 There is no need to preallocate any memory at startup using ``-m`` or
123 ``--socket-mem`` command-line parameters, however it is still possible to do so,
124 in which case preallocate memory will be "pinned" (i.e. will never be released
125 by the application back to the system). It will be possible to allocate more
126 hugepages, and deallocate those, but any preallocated pages will not be freed.
127 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, no memory will be
128 preallocated, and all memory will be allocated at runtime, as needed.
129
130 Another available option to use in dynamic memory mode is
131 ``--single-file-segments`` command-line option. This option will put pages in
132 single files (per memseg list), as opposed to creating a file per page. This is
133 normally not needed, but can be useful for use cases like userspace vhost, where
134 there is limited number of page file descriptors that can be passed to VirtIO.
135
136 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to
137 receive notifications about newly allocated memory, it is possible to register
138 for memory event callbacks via ``rte_mem_event_callback_register()`` function.
139 This will call a callback function any time DPDK's memory map has changed.
140
141 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to be
142 notified about memory allocations above specified threshold (and have a chance
143 to deny them), allocation validator callbacks are also available via
144 ``rte_mem_alloc_validator_callback_register()`` function.
145
146 A default validator callback is provided by EAL, which can be enabled with a
147 ``--socket-limit`` command-line option, for a simple way to limit maximum amount
148 of memory that can be used by DPDK application.
149
150 .. note::
151
152     In multiprocess scenario, all related processes (i.e. primary process, and
153     secondary processes running with the same prefix) must be in the same memory
154     modes. That is, if primary process is run in dynamic memory mode, all of its
155     secondary processes must be run in the same mode. The same is applicable to
156     ``--single-file-segments`` command-line option - both primary and secondary
157     processes must shared this mode.
158
159 + Legacy memory mode
160
161 This mode is enabled by specifying ``--legacy-mem`` command-line switch to the
162 EAL. This switch will have no effect on FreeBSD as FreeBSD only supports
163 legacy mode anyway.
164
165 This mode mimics historical behavior of EAL. That is, EAL will reserve all
166 memory at startup, sort all memory into large IOVA-contiguous chunks, and will
167 not allow acquiring or releasing hugepages from the system at runtime.
168
169 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, the entire available
170 hugepage memory will be preallocated.
171
172 + Hugepage allocation matching
173
174 This behavior is enabled by specifying the ``--match-allocations`` command-line
175 switch to the EAL. This switch is Linux-only and not supported with
176 ``--legacy-mem`` nor ``--no-huge``.
177
178 Some applications using memory event callbacks may require that hugepages be
179 freed exactly as they were allocated. These applications may also require
180 that any allocation from the malloc heap not span across allocations
181 associated with two different memory event callbacks. Hugepage allocation
182 matching can be used by these types of applications to satisfy both of these
183 requirements. This can result in some increased memory usage which is
184 very dependent on the memory allocation patterns of the application.
185
186 + 32-bit support
187
188 Additional restrictions are present when running in 32-bit mode. In dynamic
189 memory mode, by default maximum of 2 gigabytes of VA space will be preallocated,
190 and all of it will be on master lcore NUMA node unless ``--socket-mem`` flag is
191 used.
192
193 In legacy mode, VA space will only be preallocated for segments that were
194 requested (plus padding, to keep IOVA-contiguousness).
195
196 + Maximum amount of memory
197
198 All possible virtual memory space that can ever be used for hugepage mapping in
199 a DPDK process is preallocated at startup, thereby placing an upper limit on how
200 much memory a DPDK application can have. DPDK memory is stored in segment lists,
201 each segment is strictly one physical page. It is possible to change the amount
202 of virtual memory being preallocated at startup by editing the following config
203 variables:
204
205 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_LISTS`` controls how many segment lists can DPDK have
206 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_LIST`` controls how much megabytes of memory each
207   segment list can address
208 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_LIST`` controls how many segments each segment can
209   have
210 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_TYPE`` controls how many segments each memory type
211   can have (where "type" is defined as "page size + NUMA node" combination)
212 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_TYPE`` controls how much megabytes of memory each
213   memory type can address
214 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB`` places a global maximum on the amount of memory
215   DPDK can reserve
216
217 Normally, these options do not need to be changed.
218
219 .. note::
220
221     Preallocated virtual memory is not to be confused with preallocated hugepage
222     memory! All DPDK processes preallocate virtual memory at startup. Hugepages
223     can later be mapped into that preallocated VA space (if dynamic memory mode
224     is enabled), and can optionally be mapped into it at startup.
225
226 Support for Externally Allocated Memory
227 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
228
229 It is possible to use externally allocated memory in DPDK, using a set of malloc
230 heap API's. Support for externally allocated memory is implemented through
231 overloading the socket ID - externally allocated heaps will have socket ID's
232 that would be considered invalid under normal circumstances. Requesting an
233 allocation to take place from a specified externally allocated memory is a
234 matter of supplying the correct socket ID to DPDK allocator, either directly
235 (e.g. through a call to ``rte_malloc``) or indirectly (through data
236 structure-specific allocation API's such as ``rte_ring_create``).
237
238 Since there is no way DPDK can verify whether memory are is available or valid,
239 this responsibility falls on the shoulders of the user. All multiprocess
240 synchronization is also user's responsibility, as well as ensuring  that all
241 calls to add/attach/detach/remove memory are done in the correct order. It is
242 not required to attach to a memory area in all processes - only attach to memory
243 areas as needed.
244
245 The expected workflow is as follows:
246
247 * Get a pointer to memory area
248 * Create a named heap
249 * Add memory area(s) to the heap
250     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
251       unavailable, and DMA mappings will not be performed
252     - Other processes must attach to the memory area before they can use it
253 * Get socket ID used for the heap
254 * Use normal DPDK allocation procedures, using supplied socket ID
255 * If memory area is no longer needed, it can be removed from the heap
256     - Other processes must detach from this memory area before it can be removed
257 * If heap is no longer needed, remove it
258     - Socket ID will become invalid and will not be reused
259
260 For more information, please refer to ``rte_malloc`` API documentation,
261 specifically the ``rte_malloc_heap_*`` family of function calls.
262
263 Per-lcore and Shared Variables
264 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
265
266 .. note::
267
268     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
269
270 Shared variables are the default behavior.
271 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
272
273 Logs
274 ~~~~
275
276 A logging API is provided by EAL.
277 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
278 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
279
280 Trace and Debug Functions
281 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
282
283 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
284 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
285 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
286
287 CPU Feature Identification
288 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
289
290 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
291
292 User Space Interrupt Event
293 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
294
295 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
296
297 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
298 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
299 and are called in the host thread asynchronously.
300 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
301
302 .. note::
303
304     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
305     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
306
307
308 + RX Interrupt Event
309
310 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
311 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
312 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
313
314 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
315 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
316 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
317 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
318 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
319
320 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
321 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
322 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
323
324 .. note::
325
326     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
327     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
328     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
329
330 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
331 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
332
333 + Device Removal Event
334
335 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
336 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
337 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
338 still safely use its callbacks.
339
340 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
341 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
342 dedicated interrupt host thread.
343
344 Considering this, it is likely that an application would want to close a
345 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
346 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
347 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
348 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
349
350 Blacklisting
351 ~~~~~~~~~~~~
352
353 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
354 so they are ignored by the DPDK.
355 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
356
357 Misc Functions
358 ~~~~~~~~~~~~~~
359
360 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
361
362 IOVA Mode Configuration
363 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
364
365 Auto detection of the IOVA mode, based on probing the bus and IOMMU configuration, may not report
366 the desired addressing mode when virtual devices that are not directly attached to the bus are present.
367 To facilitate forcing the IOVA mode to a specific value the EAL command line option ``--iova-mode`` can
368 be used to select either physical addressing('pa') or virtual addressing('va').
369
370 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
371 ------------------------------------------
372
373 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
374 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
375 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a physical page.
376
377 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
378 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
379
380 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
381 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
382 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
383
384 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
385 (by default, they are aligned to cache line size).
386 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
387 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
388
389 Both memsegs and memzones are stored using ``rte_fbarray`` structures. Please
390 refer to *DPDK API Reference* for more information.
391
392
393 Multiple pthread
394 ----------------
395
396 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
397 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
398
399 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
400 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
401 the full capability of the CPU.
402
403 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
404 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
405 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
406
407 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
408
409 EAL pthread and lcore Affinity
410 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
411
412 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
413 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
414 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
415 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
416
417 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
418 The EAL pthread may have affinity to a CPU set, and as such the *_lcore_id* will not be the same as the CPU ID.
419 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
420 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
421
422 The format pattern:
423         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
424
425 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
426
427 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
428
429 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
430
431     ::
432
433         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
434             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
435             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
436             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
437             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
438             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
439             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
440             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
441
442 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
443 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
444
445 non-EAL pthread support
446 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
447
448 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
449 In a non-EAL pthread, the *_lcore_id* is always LCORE_ID_ANY which identifies that it is not an EAL thread with a valid, unique, *_lcore_id*.
450 Some libraries will use an alternative unique ID (e.g. TID), some will not be impacted at all, and some will work but with limitations (e.g. timer and mempool libraries).
451
452 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
453
454 Public Thread API
455 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
456
457 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
458 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
459
460 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
461
462 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
463
464 *       *_socket_id* stores the NUMA node of the CPU set. If the CPUs in CPU set belong to different NUMA node, the *_socket_id* will be set to SOCKET_ID_ANY.
465
466
467 .. _known_issue_label:
468
469 Known Issues
470 ~~~~~~~~~~~~
471
472 + rte_mempool
473
474   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
475   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
476   So for now, when rte_mempool is used with non-EAL pthreads, the put/get operations will bypass the default mempool cache and there is a performance penalty because of this bypass.
477   Only user-owned external caches can be used in a non-EAL context in conjunction with ``rte_mempool_generic_put()`` and ``rte_mempool_generic_get()`` that accept an explicit cache parameter.
478
479 + rte_ring
480
481   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
482   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
483
484   .. note::
485
486     The "non-preemptive" constraint means:
487
488     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
489       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
490       the same ring.
491     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
492       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
493       the same ring.
494
495     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
496     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
497
498   This means, use cases involving preemptible pthreads should consider using rte_ring carefully.
499
500   1. It CAN be used for preemptible single-producer and single-consumer use case.
501
502   2. It CAN be used for non-preemptible multi-producer and preemptible single-consumer use case.
503
504   3. It CAN be used for preemptible single-producer and non-preemptible multi-consumer use case.
505
506   4. It MAY be used by preemptible multi-producer and/or preemptible multi-consumer pthreads whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs), SCHED_IDLE or SCHED_BATCH. User SHOULD be aware of the performance penalty before using it.
507
508   5. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
509
510 + rte_timer
511
512   Running  ``rte_timer_manage()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
513
514 + rte_log
515
516   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
517
518 + misc
519
520   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
521
522 cgroup control
523 ~~~~~~~~~~~~~~
524
525 The following is a simple example of cgroup control usage, there are two pthreads(t0 and t1) doing packet I/O on the same core ($CPU).
526 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
527
528   .. code-block:: console
529
530     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
531     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
532
533     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
534
535     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
536     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
537
538     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
539     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
540
541     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
542     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
543     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
544
545
546 Malloc
547 ------
548
549 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
550
551 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
552 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
553 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
554
555 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
556 processing because they are slower than pool-based allocation and make
557 use of locks within the allocation and free paths.
558 However, they can be used in configuration code.
559
560 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
561 manual for more information.
562
563 Cookies
564 ~~~~~~~
565
566 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
567 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
568
569 Alignment and NUMA Constraints
570 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
571
572 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
573 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
574
575 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
576 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
577 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
578 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
579 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
580 on the one doing the memory allocation.
581
582 Use Cases
583 ~~~~~~~~~
584
585 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
586 functions at initialization time.
587
588 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
589 the memory pool library should be used instead.
590
591 Internal Implementation
592 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
593
594 Data Structures
595 ^^^^^^^^^^^^^^^
596
597 There are two data structure types used internally in the malloc library:
598
599 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
600
601 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
602     tracking inside the library.
603
604 Structure: malloc_heap
605 """"""""""""""""""""""
606
607 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
608 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
609 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
610 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
611 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
612 or random node.
613
614 The key fields of the heap structure and their function are described below
615 (see also diagram above):
616
617 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
618     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
619     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
620
621 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
622     this malloc heap.
623
624 *   first - this points to the first element in the heap.
625
626 *   last - this points to the last element in the heap.
627
628 .. _figure_malloc_heap:
629
630 .. figure:: img/malloc_heap.*
631
632    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
633
634
635 .. _malloc_elem:
636
637 Structure: malloc_elem
638 """"""""""""""""""""""
639
640 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
641 blocks of memory.
642 It is used in two different ways - all shown in the diagram above:
643
644 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
645
646 #.  As a padding header inside a block of memory
647
648 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
649
650 Malloc heap is a doubly-linked list, where each element keeps track of its
651 previous and next elements. Due to the fact that hugepage memory can come and
652 go, neighbouring malloc elements may not necessarily be adjacent in memory.
653 Also, since a malloc element may span multiple pages, its contents may not
654 necessarily be IOVA-contiguous either - each malloc element is only guaranteed
655 to be virtually contiguous.
656
657 .. note::
658
659     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
660     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
661     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
662     fields have valid values.
663
664 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
665     this block was allocated.
666     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
667     newly-freed block to the heap's free-list.
668
669 *   prev - this pointer points to previous header element/block in memory. When
670     freeing a block, this pointer is used to reference the previous block to
671     check if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
672     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
673     larger block.
674
675 *   next - this pointer points to next header element/block in memory. When
676     freeing a block, this pointer is used to reference the next block to check
677     if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
678     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
679     larger block.
680
681 *   free_list - this is a structure pointing to previous and next elements in
682     this heap's free list.
683     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
684     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
685     the free-list.
686
687 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
688     ``PAD``.
689     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
690     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
691     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
692     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
693     constraints.
694     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
695     header for the block.
696
697 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
698     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
699     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
700     value passed back to the application on a malloc.
701     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
702     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
703     actual block header.
704
705 *   size - the size of the data block, including the header itself.
706
707 Memory Allocation
708 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
709
710 On EAL initialization, all preallocated memory segments are setup as part of the
711 malloc heap. This setup involves placing an :ref:`element header<malloc_elem>`
712 with ``FREE`` at the start of each virtually contiguous segment of memory.
713 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
714
715 This setup also happens whenever memory is allocated at runtime (if supported),
716 in which case newly allocated pages are also added to the heap, merging with any
717 adjacent free segments if there are any.
718
719 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
720 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
721 determine the NUMA node of that thread.
722 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
723 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
724 requested size, type, alignment and boundary parameters.
725
726 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
727 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
728 requested alignment and boundary constraints.
729
730 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
731 to the user is calculated.
732 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
733 struct malloc_elem header.
734 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
735 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
736
737 #. Check for trailing space.
738    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
739    is split.
740    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
741
742 #. Check for space at the start of the element.
743    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
744    used, and the remaining space is wasted.
745    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
746
747 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
748 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
749 on the free list just has its size value adjusted, and the next/previous elements
750 have their "prev"/"next" pointers redirected to the newly created element.
751
752 In case when there is not enough memory in the heap to satisfy allocation
753 request, EAL will attempt to allocate more memory from the system (if supported)
754 and, following successful allocation, will retry reserving the memory again. In
755 a multiprocessing scenario, all primary and secondary processes will synchronize
756 their memory maps to ensure that any valid pointer to DPDK memory is guaranteed
757 to be valid at all times in all currently running processes.
758
759 Failure to synchronize memory maps in one of the processes will cause allocation
760 to fail, even though some of the processes may have allocated the memory
761 successfully. The memory is not added to the malloc heap unless primary process
762 has ensured that all other processes have mapped this memory successfully.
763
764 Any successful allocation event will trigger a callback, for which user
765 applications and other DPDK subsystems can register. Additionally, validation
766 callbacks will be triggered before allocation if the newly allocated memory will
767 exceed threshold set by the user, giving a chance to allow or deny allocation.
768
769 .. note::
770
771     Any allocation of new pages has to go through primary process. If the
772     primary process is not active, no memory will be allocated even if it was
773     theoretically possible to do so. This is because primary's process map acts
774     as an authority on what should or should not be mapped, while each secondary
775     process has its own, local memory map. Secondary processes do not update the
776     shared memory map, they only copy its contents to their local memory map.
777
778 Freeing Memory
779 ^^^^^^^^^^^^^^
780
781 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
782 to the free function.
783 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
784 the element header for the block.
785 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
786 the pointer to get the proper element header for the entire block.
787
788 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
789 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
790 and next elements. These next and previous elements are then checked to see if
791 they are also ``FREE`` and are immediately adjacent to the current one, and if
792 so, they are merged with the current element. This means that we can never have
793 two ``FREE`` memory blocks adjacent to one another, as they are always merged
794 into a single block.
795
796 If deallocating pages at runtime is supported, and the free element encloses
797 one or more pages, those pages can be deallocated and be removed from the heap.
798 If DPDK was started with command-line parameters for preallocating memory
799 (``-m`` or ``--socket-mem``), then those pages that were allocated at startup
800 will not be deallocated.
801
802 Any successful deallocation event will trigger a callback, for which user
803 applications and other DPDK subsystems can register.