crypto/qat: add secp384r1 curve
[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_linux_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 main 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 Linux 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 hugepages.
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
99     are also backed by hugepages unless ``--no-huge`` option is given.
100
101 Dynamic Memory Mode
102 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
103
104 Currently, this mode is only supported on Linux and Windows.
105
106 In this mode, usage of hugepages by DPDK application will grow and shrink based
107 on application's requests. Any memory allocation through ``rte_malloc()``,
108 ``rte_memzone_reserve()`` or other methods, can potentially result in more
109 hugepages being reserved from the system. Similarly, any memory deallocation can
110 potentially result in hugepages being released back to the system.
111
112 Memory allocated in this mode is not guaranteed to be IOVA-contiguous. If large
113 chunks of IOVA-contiguous are required (with "large" defined as "more than one
114 page"), it is recommended to either use VFIO driver for all physical devices (so
115 that IOVA and VA addresses can be the same, thereby bypassing physical addresses
116 entirely), or use legacy memory mode.
117
118 For chunks of memory which must be IOVA-contiguous, it is recommended to use
119 ``rte_memzone_reserve()`` function with ``RTE_MEMZONE_IOVA_CONTIG`` flag
120 specified. This way, memory allocator will ensure that, whatever memory mode is
121 in use, either reserved memory will satisfy the requirements, or the allocation
122 will fail.
123
124 There is no need to preallocate any memory at startup using ``-m`` or
125 ``--socket-mem`` command-line parameters, however it is still possible to do so,
126 in which case preallocate memory will be "pinned" (i.e. will never be released
127 by the application back to the system). It will be possible to allocate more
128 hugepages, and deallocate those, but any preallocated pages will not be freed.
129 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, no memory will be
130 preallocated, and all memory will be allocated at runtime, as needed.
131
132 Another available option to use in dynamic memory mode is
133 ``--single-file-segments`` command-line option. This option will put pages in
134 single files (per memseg list), as opposed to creating a file per page. This is
135 normally not needed, but can be useful for use cases like userspace vhost, where
136 there is limited number of page file descriptors that can be passed to VirtIO.
137
138 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to
139 receive notifications about newly allocated memory, it is possible to register
140 for memory event callbacks via ``rte_mem_event_callback_register()`` function.
141 This will call a callback function any time DPDK's memory map has changed.
142
143 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to be
144 notified about memory allocations above specified threshold (and have a chance
145 to deny them), allocation validator callbacks are also available via
146 ``rte_mem_alloc_validator_callback_register()`` function.
147
148 A default validator callback is provided by EAL, which can be enabled with a
149 ``--socket-limit`` command-line option, for a simple way to limit maximum amount
150 of memory that can be used by DPDK application.
151
152 .. warning::
153     Memory subsystem uses DPDK IPC internally, so memory allocations/callbacks
154     and IPC must not be mixed: it is not safe to allocate/free memory inside
155     memory-related or IPC callbacks, and it is not safe to use IPC inside
156     memory-related callbacks. See chapter
157     :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details about
158     DPDK IPC.
159
160 Legacy Memory Mode
161 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
162
163 This mode is enabled by specifying ``--legacy-mem`` command-line switch to the
164 EAL. This switch will have no effect on FreeBSD as FreeBSD only supports
165 legacy mode anyway.
166
167 This mode mimics historical behavior of EAL. That is, EAL will reserve all
168 memory at startup, sort all memory into large IOVA-contiguous chunks, and will
169 not allow acquiring or releasing hugepages from the system at runtime.
170
171 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, the entire available
172 hugepage memory will be preallocated.
173
174 Hugepage Allocation Matching
175 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
176
177 This behavior is enabled by specifying the ``--match-allocations`` command-line
178 switch to the EAL. This switch is Linux-only and not supported with
179 ``--legacy-mem`` nor ``--no-huge``.
180
181 Some applications using memory event callbacks may require that hugepages be
182 freed exactly as they were allocated. These applications may also require
183 that any allocation from the malloc heap not span across allocations
184 associated with two different memory event callbacks. Hugepage allocation
185 matching can be used by these types of applications to satisfy both of these
186 requirements. This can result in some increased memory usage which is
187 very dependent on the memory allocation patterns of the application.
188
189 32-bit Support
190 ^^^^^^^^^^^^^^
191
192 Additional restrictions are present when running in 32-bit mode. In dynamic
193 memory mode, by default maximum of 2 gigabytes of VA space will be preallocated,
194 and all of it will be on main lcore NUMA node unless ``--socket-mem`` flag is
195 used.
196
197 In legacy mode, VA space will only be preallocated for segments that were
198 requested (plus padding, to keep IOVA-contiguousness).
199
200 Maximum Amount of Memory
201 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
202
203 All possible virtual memory space that can ever be used for hugepage mapping in
204 a DPDK process is preallocated at startup, thereby placing an upper limit on how
205 much memory a DPDK application can have. DPDK memory is stored in segment lists,
206 each segment is strictly one physical page. It is possible to change the amount
207 of virtual memory being preallocated at startup by editing the following config
208 variables:
209
210 * ``RTE_MAX_MEMSEG_LISTS`` controls how many segment lists can DPDK have
211 * ``RTE_MAX_MEM_MB_PER_LIST`` controls how much megabytes of memory each
212   segment list can address
213 * ``RTE_MAX_MEMSEG_PER_LIST`` controls how many segments each segment list
214   can have
215 * ``RTE_MAX_MEMSEG_PER_TYPE`` controls how many segments each memory type
216   can have (where "type" is defined as "page size + NUMA node" combination)
217 * ``RTE_MAX_MEM_MB_PER_TYPE`` controls how much megabytes of memory each
218   memory type can address
219 * ``RTE_MAX_MEM_MB`` places a global maximum on the amount of memory
220   DPDK can reserve
221
222 Normally, these options do not need to be changed.
223
224 .. note::
225
226     Preallocated virtual memory is not to be confused with preallocated hugepage
227     memory! All DPDK processes preallocate virtual memory at startup. Hugepages
228     can later be mapped into that preallocated VA space (if dynamic memory mode
229     is enabled), and can optionally be mapped into it at startup.
230
231 Hugepage Mapping
232 ^^^^^^^^^^^^^^^^
233
234 Below is an overview of methods used for each OS to obtain hugepages,
235 explaining why certain limitations and options exist in EAL.
236 See the user guide for a specific OS for configuration details.
237
238 FreeBSD uses ``contigmem`` kernel module
239 to reserve a fixed number of hugepages at system start,
240 which are mapped by EAL at initialization using a specific ``sysctl()``.
241
242 Windows EAL allocates hugepages from the OS as needed using Win32 API,
243 so available amount depends on the system load.
244 It uses ``virt2phys`` kernel module to obtain physical addresses,
245 unless running in IOVA-as-VA mode (e.g. forced with ``--iova-mode=va``).
246
247 Linux allows to select any combination of the following:
248
249 * use files in hugetlbfs (the default)
250   or anonymous mappings (``--in-memory``);
251 * map each hugepage from its own file (the default)
252   or map multiple hugepages from one big file (``--single-file-segments``).
253
254 Mapping hugepages from files in hugetlbfs is essential for multi-process,
255 because secondary processes need to map the same hugepages.
256 EAL creates files like ``rtemap_0``
257 in directories specified with ``--huge-dir`` option
258 (or in the mount point for a specific hugepage size).
259 The ``rte`` prefix can be changed using ``--file-prefix``.
260 This may be needed for running multiple primary processes
261 that share a hugetlbfs mount point.
262 Each backing file by default corresponds to one hugepage,
263 it is opened and locked for the entire time the hugepage is used.
264 This may exhaust the number of open files limit (``NOFILE``).
265 See :ref:`segment-file-descriptors` section
266 on how the number of open backing file descriptors can be reduced.
267
268 In dynamic memory mode, EAL removes a backing hugepage file
269 when all pages mapped from it are freed back to the system.
270 However, backing files may persist after the application terminates
271 in case of a crash or a leak of DPDK memory (e.g. ``rte_free()`` is missing).
272 This reduces the number of hugepages available to other processes
273 as reported by ``/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-*/free_hugepages``.
274 EAL can remove the backing files after opening them for mapping
275 if ``--huge-unlink`` is given to avoid polluting hugetlbfs.
276 However, since it disables multi-process anyway,
277 using anonymous mapping (``--in-memory``) is recommended instead.
278
279 :ref:`EAL memory allocator <malloc>` relies on hugepages being zero-filled.
280 Hugepages are cleared by the kernel when a file in hugetlbfs or its part
281 is mapped for the first time system-wide
282 to prevent data leaks from previous users of the same hugepage.
283 EAL ensures this behavior by removing existing backing files at startup
284 and by recreating them before opening for mapping (as a precaution).
285
286 One exception is ``--huge-unlink=never`` mode.
287 It is used to speed up EAL initialization, usually on application restart.
288 Clearing memory constitutes more than 95% of hugepage mapping time.
289 EAL can save it by remapping existing backing files
290 with all the data left in the mapped hugepages ("dirty" memory).
291 Such segments are marked with ``RTE_MEMSEG_FLAG_DIRTY``.
292 Memory allocator detects dirty segments and handles them accordingly,
293 in particular, it clears memory requested with ``rte_zmalloc*()``.
294 In this mode EAL also does not remove a backing file
295 when all pages mapped from it are freed,
296 because they are intended to be reusable at restart.
297
298 Anonymous mapping does not allow multi-process architecture.
299 This mode does not use hugetlbfs
300 and thus does not require root permissions for memory management
301 (the limit of locked memory amount, ``MEMLOCK``, still applies).
302 It is free of filename conflict and leftover file issues.
303 If ``memfd_create(2)`` is supported both at build and run time,
304 DPDK memory manager can provide file descriptors for memory segments,
305 which are required for VirtIO with vhost-user backend.
306 This can exhaust the number of open files limit (``NOFILE``)
307 despite not creating any visible files.
308 See :ref:`segment-file-descriptors` section
309 on how the number of open file descriptors used by EAL can be reduced.
310
311 .. _segment-file-descriptors:
312
313 Segment File Descriptors
314 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
315
316 On Linux, in most cases, EAL will store segment file descriptors in EAL. This
317 can become a problem when using smaller page sizes due to underlying limitations
318 of ``glibc`` library. For example, Linux API calls such as ``select()`` may not
319 work correctly because ``glibc`` does not support more than certain number of
320 file descriptors.
321
322 There are two possible solutions for this problem. The recommended solution is
323 to use ``--single-file-segments`` mode, as that mode will not use a file
324 descriptor per each page, and it will keep compatibility with Virtio with
325 vhost-user backend. This option is not available when using ``--legacy-mem``
326 mode.
327
328 Another option is to use bigger page sizes. Since fewer pages are required to
329 cover the same memory area, fewer file descriptors will be stored internally
330 by EAL.
331
332 Support for Externally Allocated Memory
333 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
334
335 It is possible to use externally allocated memory in DPDK. There are two ways in
336 which using externally allocated memory can work: the malloc heap API's, and
337 manual memory management.
338
339 + Using heap API's for externally allocated memory
340
341 Using a set of malloc heap API's is the recommended way to use externally
342 allocated memory in DPDK. In this way, support for externally allocated memory
343 is implemented through overloading the socket ID - externally allocated heaps
344 will have socket ID's that would be considered invalid under normal
345 circumstances. Requesting an allocation to take place from a specified
346 externally allocated memory is a matter of supplying the correct socket ID to
347 DPDK allocator, either directly (e.g. through a call to ``rte_malloc``) or
348 indirectly (through data structure-specific allocation API's such as
349 ``rte_ring_create``). Using these API's also ensures that mapping of externally
350 allocated memory for DMA is also performed on any memory segment that is added
351 to a DPDK malloc heap.
352
353 Since there is no way DPDK can verify whether memory is available or valid, this
354 responsibility falls on the shoulders of the user. All multiprocess
355 synchronization is also user's responsibility, as well as ensuring  that all
356 calls to add/attach/detach/remove memory are done in the correct order. It is
357 not required to attach to a memory area in all processes - only attach to memory
358 areas as needed.
359
360 The expected workflow is as follows:
361
362 * Get a pointer to memory area
363 * Create a named heap
364 * Add memory area(s) to the heap
365     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
366       unavailable, and DMA mappings will not be performed
367     - Other processes must attach to the memory area before they can use it
368 * Get socket ID used for the heap
369 * Use normal DPDK allocation procedures, using supplied socket ID
370 * If memory area is no longer needed, it can be removed from the heap
371     - Other processes must detach from this memory area before it can be removed
372 * If heap is no longer needed, remove it
373     - Socket ID will become invalid and will not be reused
374
375 For more information, please refer to ``rte_malloc`` API documentation,
376 specifically the ``rte_malloc_heap_*`` family of function calls.
377
378 + Using externally allocated memory without DPDK API's
379
380 While using heap API's is the recommended method of using externally allocated
381 memory in DPDK, there are certain use cases where the overhead of DPDK heap API
382 is undesirable - for example, when manual memory management is performed on an
383 externally allocated area. To support use cases where externally allocated
384 memory will not be used as part of normal DPDK workflow, there is also another
385 set of API's under the ``rte_extmem_*`` namespace.
386
387 These API's are (as their name implies) intended to allow registering or
388 unregistering externally allocated memory to/from DPDK's internal page table, to
389 allow API's like ``rte_mem_virt2memseg`` etc. to work with externally allocated
390 memory. Memory added this way will not be available for any regular DPDK
391 allocators; DPDK will leave this memory for the user application to manage.
392
393 The expected workflow is as follows:
394
395 * Get a pointer to memory area
396 * Register memory within DPDK
397     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
398       unavailable
399     - Other processes must attach to the memory area before they can use it
400 * Perform DMA mapping with ``rte_dev_dma_map`` if needed
401 * Use the memory area in your application
402 * If memory area is no longer needed, it can be unregistered
403     - If the area was mapped for DMA, unmapping must be performed before
404       unregistering memory
405     - Other processes must detach from the memory area before it can be
406       unregistered
407
408 Since these externally allocated memory areas will not be managed by DPDK, it is
409 therefore up to the user application to decide how to use them and what to do
410 with them once they're registered.
411
412 Per-lcore and Shared Variables
413 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
414
415 .. note::
416
417     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
418
419 Shared variables are the default behavior.
420 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
421
422 Logs
423 ~~~~
424
425 A logging API is provided by EAL.
426 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
427 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
428
429 Trace and Debug Functions
430 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
431
432 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
433 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
434 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
435
436 CPU Feature Identification
437 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
438
439 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
440
441 User Space Interrupt Event
442 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
443
444 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
445
446 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
447 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
448 and are called in the host thread asynchronously.
449 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
450
451 .. note::
452
453     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
454     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
455
456
457 + RX Interrupt Event
458
459 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
460 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
461 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
462
463 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
464 Taking Linux as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
465 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
466 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
467 From FreeBSD's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
468
469 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
470 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
471 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
472
473 .. note::
474
475     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
476     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
477     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
478
479 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
480 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
481
482 + Device Removal Event
483
484 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
485 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
486 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
487 still safely use its callbacks.
488
489 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
490 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
491 dedicated interrupt host thread.
492
493 Considering this, it is likely that an application would want to close a
494 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
495 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
496 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
497 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
498
499 Block list
500 ~~~~~~~~~~
501
502 The EAL PCI device block list functionality can be used to mark certain NIC ports as unavailable,
503 so they are ignored by the DPDK.
504 The ports to be blocked are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
505
506 Misc Functions
507 ~~~~~~~~~~~~~~
508
509 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
510
511 IOVA Mode Detection
512 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
513
514 IOVA Mode is selected by considering what the current usable Devices on the
515 system require and/or support.
516
517 On FreeBSD, RTE_IOVA_PA is always the default. On Linux, the IOVA mode is
518 detected based on a 2-step heuristic detailed below.
519
520 For the first step, EAL asks each bus its requirement in terms of IOVA mode
521 and decides on a preferred IOVA mode.
522
523 - if all buses report RTE_IOVA_PA, then the preferred IOVA mode is RTE_IOVA_PA,
524 - if all buses report RTE_IOVA_VA, then the preferred IOVA mode is RTE_IOVA_VA,
525 - if all buses report RTE_IOVA_DC, no bus expressed a preference, then the
526   preferred mode is RTE_IOVA_DC,
527 - if the buses disagree (at least one wants RTE_IOVA_PA and at least one wants
528   RTE_IOVA_VA), then the preferred IOVA mode is RTE_IOVA_DC (see below with the
529   check on Physical Addresses availability),
530
531 If the buses have expressed no preference on which IOVA mode to pick, then a
532 default is selected using the following logic:
533
534 - if physical addresses are not available, RTE_IOVA_VA mode is used
535 - if /sys/kernel/iommu_groups is not empty, RTE_IOVA_VA mode is used
536 - otherwise, RTE_IOVA_PA mode is used
537
538 In the case when the buses had disagreed on their preferred IOVA mode, part of
539 the buses won't work because of this decision.
540
541 The second step checks if the preferred mode complies with the Physical
542 Addresses availability since those are only available to root user in recent
543 kernels. Namely, if the preferred mode is RTE_IOVA_PA but there is no access to
544 Physical Addresses, then EAL init fails early, since later probing of the
545 devices would fail anyway.
546
547 .. note::
548
549     The RTE_IOVA_VA mode is preferred as the default in most cases for the
550     following reasons:
551
552     - All drivers are expected to work in RTE_IOVA_VA mode, irrespective of
553       physical address availability.
554     - By default, the mempool, first asks for IOVA-contiguous memory using
555       ``RTE_MEMZONE_IOVA_CONTIG``. This is slow in RTE_IOVA_PA mode and it may
556       affect the application boot time.
557     - It is easy to enable large amount of IOVA-contiguous memory use cases
558       with IOVA in VA mode.
559
560     It is expected that all PCI drivers work in both RTE_IOVA_PA and
561     RTE_IOVA_VA modes.
562
563     If a PCI driver does not support RTE_IOVA_PA mode, the
564     ``RTE_PCI_DRV_NEED_IOVA_AS_VA`` flag is used to dictate that this PCI
565     driver can only work in RTE_IOVA_VA mode.
566
567     When the KNI kernel module is detected, RTE_IOVA_PA mode is preferred as a
568     performance penalty is expected in RTE_IOVA_VA mode.
569
570 IOVA Mode Configuration
571 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
572
573 Auto detection of the IOVA mode, based on probing the bus and IOMMU configuration, may not report
574 the desired addressing mode when virtual devices that are not directly attached to the bus are present.
575 To facilitate forcing the IOVA mode to a specific value the EAL command line option ``--iova-mode`` can
576 be used to select either physical addressing('pa') or virtual addressing('va').
577
578 .. _max_simd_bitwidth:
579
580
581 Max SIMD bitwidth
582 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
583
584 The EAL provides a single setting to limit the max SIMD bitwidth used by DPDK,
585 which is used in determining the vector path, if any, chosen by a component.
586 The value can be set at runtime by an application using the
587 'rte_vect_set_max_simd_bitwidth(uint16_t bitwidth)' function,
588 which should only be called once at initialization, before EAL init.
589 The value can be overridden by the user using the EAL command-line option '--force-max-simd-bitwidth'.
590
591 When choosing a vector path, along with checking the CPU feature support,
592 the value of the max SIMD bitwidth must also be checked, and can be retrieved using the
593 'rte_vect_get_max_simd_bitwidth()' function.
594 The value should be compared against the enum values for accepted max SIMD bitwidths:
595
596 .. code-block:: c
597
598    enum rte_vect_max_simd {
599        RTE_VECT_SIMD_DISABLED = 64,
600        RTE_VECT_SIMD_128 = 128,
601        RTE_VECT_SIMD_256 = 256,
602        RTE_VECT_SIMD_512 = 512,
603        RTE_VECT_SIMD_MAX = INT16_MAX + 1,
604    };
605
606     if (rte_vect_get_max_simd_bitwidth() >= RTE_VECT_SIMD_512)
607         /* Take AVX-512 vector path */
608     else if (rte_vect_get_max_simd_bitwidth() >= RTE_VECT_SIMD_256)
609         /* Take AVX2 vector path */
610
611
612 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
613 ------------------------------------------
614
615 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
616 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
617 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a physical page.
618
619 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
620 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
621
622 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
623 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
624 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
625
626 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
627 (by default, they are aligned to cache line size).
628 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
629 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
630
631 Both memsegs and memzones are stored using ``rte_fbarray`` structures. Please
632 refer to *DPDK API Reference* for more information.
633
634
635 Multiple pthread
636 ----------------
637
638 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
639 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
640
641 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
642 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
643 the full capability of the CPU.
644
645 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
646 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
647 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
648
649 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
650
651 EAL pthread and lcore Affinity
652 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
653
654 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
655 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
656 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
657 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
658
659 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
660 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.
661 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
662 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
663
664 The format pattern:
665         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
666
667 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
668
669 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
670
671 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
672
673     ::
674
675         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
676             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
677             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
678             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
679             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
680             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
681             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
682             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
683
684 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
685 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
686
687 non-EAL pthread support
688 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
689
690 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. non-EAL pthreads).
691 There are two kinds of non-EAL pthreads:
692
693 - a registered non-EAL pthread with a valid *_lcore_id* that was successfully assigned by calling ``rte_thread_register()``,
694 - a non registered non-EAL pthread with a LCORE_ID_ANY,
695
696 For non registered non-EAL pthread (with a LCORE_ID_ANY *_lcore_id*), 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).
697
698 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
699
700 Public Thread API
701 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
702
703 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
704 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
705
706 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
707
708 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
709
710 *       *_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.
711
712
713 Control Thread API
714 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
715
716 It is possible to create Control Threads using the public API
717 ``rte_ctrl_thread_create()``.
718 Those threads can be used for management/infrastructure tasks and are used
719 internally by DPDK for multi process support and interrupt handling.
720
721 Those threads will be scheduled on CPUs part of the original process CPU
722 affinity from which the dataplane and service lcores are excluded.
723
724 For example, on a 8 CPUs system, starting a dpdk application with -l 2,3
725 (dataplane cores), then depending on the affinity configuration which can be
726 controlled with tools like taskset (Linux) or cpuset (FreeBSD),
727
728 - with no affinity configuration, the Control Threads will end up on
729   0-1,4-7 CPUs.
730 - with affinity restricted to 2-4, the Control Threads will end up on
731   CPU 4.
732 - with affinity restricted to 2-3, the Control Threads will end up on
733   CPU 2 (main lcore, which is the default when no CPU is available).
734
735 .. _known_issue_label:
736
737 Known Issues
738 ~~~~~~~~~~~~
739
740 + rte_mempool
741
742   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
743   For unregistered non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
744   So for now, when rte_mempool is used with unregistered non-EAL pthreads, the put/get operations will bypass the default mempool cache and there is a performance penalty because of this bypass.
745   Only user-owned external caches can be used in an unregistered non-EAL context in conjunction with ``rte_mempool_generic_put()`` and ``rte_mempool_generic_get()`` that accept an explicit cache parameter.
746
747 + rte_ring
748
749   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
750   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptible.
751
752   .. note::
753
754     The "non-preemptive" constraint means:
755
756     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
757       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
758       the same ring.
759     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
760       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
761       the same ring.
762
763     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
764     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
765
766   This means, use cases involving preemptible pthreads should consider using rte_ring carefully.
767
768   1. It CAN be used for preemptible single-producer and single-consumer use case.
769
770   2. It CAN be used for non-preemptible multi-producer and preemptible single-consumer use case.
771
772   3. It CAN be used for preemptible single-producer and non-preemptible multi-consumer use case.
773
774   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.
775
776   5. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
777
778   Alternatively, applications can use the lock-free stack mempool handler. When
779   considering this handler, note that:
780
781   - It is currently limited to the aarch64 and x86_64 platforms, because it uses
782     an instruction (16-byte compare-and-swap) that is not yet available on other
783     platforms.
784   - It has worse average-case performance than the non-preemptive rte_ring, but
785     software caching (e.g. the mempool cache) can mitigate this by reducing the
786     number of stack accesses.
787
788 + rte_timer
789
790   Running  ``rte_timer_manage()`` on an unregistered non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
791
792 + rte_log
793
794   In unregistered non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
795
796 + misc
797
798   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in an unregistered non-EAL pthread.
799
800 cgroup control
801 ~~~~~~~~~~~~~~
802
803 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).
804 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
805
806   .. code-block:: console
807
808     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
809     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
810
811     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
812
813     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
814     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
815
816     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
817     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
818
819     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
820     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
821     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
822
823 .. _malloc:
824
825 Malloc
826 ------
827
828 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
829
830 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
831 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
832 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
833
834 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
835 processing because they are slower than pool-based allocation and make
836 use of locks within the allocation and free paths.
837 However, they can be used in configuration code.
838
839 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
840 manual for more information.
841
842
843 Alignment and NUMA Constraints
844 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
845
846 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
847 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
848
849 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
850 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
851 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
852 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
853 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
854 on the one doing the memory allocation.
855
856 Use Cases
857 ~~~~~~~~~
858
859 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
860 functions at initialization time.
861
862 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
863 the memory pool library should be used instead.
864
865 Internal Implementation
866 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
867
868 Data Structures
869 ^^^^^^^^^^^^^^^
870
871 There are two data structure types used internally in the malloc library:
872
873 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
874
875 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
876     tracking inside the library.
877
878 Structure: malloc_heap
879 """"""""""""""""""""""
880
881 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
882 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
883 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
884 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
885 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
886 or random node.
887
888 The key fields of the heap structure and their function are described below
889 (see also diagram above):
890
891 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
892     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
893     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
894
895 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
896     this malloc heap.
897
898 *   first - this points to the first element in the heap.
899
900 *   last - this points to the last element in the heap.
901
902 .. _figure_malloc_heap:
903
904 .. figure:: img/malloc_heap.*
905
906    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
907
908
909 .. _malloc_elem:
910
911 Structure: malloc_elem
912 """"""""""""""""""""""
913
914 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
915 blocks of memory.
916 It is used in two different ways - all shown in the diagram above:
917
918 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
919
920 #.  As a padding header inside a block of memory
921
922 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
923
924 Malloc heap is a doubly-linked list, where each element keeps track of its
925 previous and next elements. Due to the fact that hugepage memory can come and
926 go, neighboring malloc elements may not necessarily be adjacent in memory.
927 Also, since a malloc element may span multiple pages, its contents may not
928 necessarily be IOVA-contiguous either - each malloc element is only guaranteed
929 to be virtually contiguous.
930
931 .. note::
932
933     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
934     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
935     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
936     fields have valid values.
937
938 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
939     this block was allocated.
940     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
941     newly-freed block to the heap's free-list.
942
943 *   prev - this pointer points to previous header element/block in memory. When
944     freeing a block, this pointer is used to reference the previous block to
945     check if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
946     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
947     larger block.
948
949 *   next - this pointer points to next header element/block in memory. When
950     freeing a block, this pointer is used to reference the next block to check
951     if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
952     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
953     larger block.
954
955 *   free_list - this is a structure pointing to previous and next elements in
956     this heap's free list.
957     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
958     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
959     the free-list.
960
961 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
962     ``PAD``.
963     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
964     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
965     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
966     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
967     constraints.
968     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
969     header for the block.
970
971 *   dirty - this flag is only meaningful when ``state`` is ``FREE``.
972     It indicates that the content of the element is not fully zero-filled.
973     Memory from such blocks must be cleared when requested via ``rte_zmalloc*()``.
974     Dirty elements only appear with ``--huge-unlink=never``.
975
976 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
977     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
978     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
979     value passed back to the application on a malloc.
980     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
981     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
982     actual block header.
983
984 *   size - the size of the data block, including the header itself.
985
986 Memory Allocation
987 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
988
989 On EAL initialization, all preallocated memory segments are setup as part of the
990 malloc heap. This setup involves placing an :ref:`element header<malloc_elem>`
991 with ``FREE`` at the start of each virtually contiguous segment of memory.
992 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
993
994 This setup also happens whenever memory is allocated at runtime (if supported),
995 in which case newly allocated pages are also added to the heap, merging with any
996 adjacent free segments if there are any.
997
998 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
999 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
1000 determine the NUMA node of that thread.
1001 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
1002 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
1003 requested size, type, alignment and boundary parameters.
1004
1005 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
1006 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
1007 requested alignment and boundary constraints.
1008
1009 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
1010 to the user is calculated.
1011 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
1012 struct malloc_elem header.
1013 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
1014 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
1015
1016 #. Check for trailing space.
1017    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
1018    is split.
1019    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
1020
1021 #. Check for space at the start of the element.
1022    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
1023    used, and the remaining space is wasted.
1024    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
1025
1026 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
1027 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
1028 on the free list just has its size value adjusted, and the next/previous elements
1029 have their "prev"/"next" pointers redirected to the newly created element.
1030
1031 In case when there is not enough memory in the heap to satisfy allocation
1032 request, EAL will attempt to allocate more memory from the system (if supported)
1033 and, following successful allocation, will retry reserving the memory again. In
1034 a multiprocessing scenario, all primary and secondary processes will synchronize
1035 their memory maps to ensure that any valid pointer to DPDK memory is guaranteed
1036 to be valid at all times in all currently running processes.
1037
1038 Failure to synchronize memory maps in one of the processes will cause allocation
1039 to fail, even though some of the processes may have allocated the memory
1040 successfully. The memory is not added to the malloc heap unless primary process
1041 has ensured that all other processes have mapped this memory successfully.
1042
1043 Any successful allocation event will trigger a callback, for which user
1044 applications and other DPDK subsystems can register. Additionally, validation
1045 callbacks will be triggered before allocation if the newly allocated memory will
1046 exceed threshold set by the user, giving a chance to allow or deny allocation.
1047
1048 .. note::
1049
1050     Any allocation of new pages has to go through primary process. If the
1051     primary process is not active, no memory will be allocated even if it was
1052     theoretically possible to do so. This is because primary's process map acts
1053     as an authority on what should or should not be mapped, while each secondary
1054     process has its own, local memory map. Secondary processes do not update the
1055     shared memory map, they only copy its contents to their local memory map.
1056
1057 Freeing Memory
1058 ^^^^^^^^^^^^^^
1059
1060 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
1061 to the free function.
1062 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
1063 the element header for the block.
1064 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
1065 the pointer to get the proper element header for the entire block.
1066
1067 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
1068 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
1069 and next elements. These next and previous elements are then checked to see if
1070 they are also ``FREE`` and are immediately adjacent to the current one, and if
1071 so, they are merged with the current element. This means that we can never have
1072 two ``FREE`` memory blocks adjacent to one another, as they are always merged
1073 into a single block.
1074
1075 If deallocating pages at runtime is supported, and the free element encloses
1076 one or more pages, those pages can be deallocated and be removed from the heap.
1077 If DPDK was started with command-line parameters for preallocating memory
1078 (``-m`` or ``--socket-mem``), then those pages that were allocated at startup
1079 will not be deallocated.
1080
1081 Any successful deallocation event will trigger a callback, for which user
1082 applications and other DPDK subsystems can register.