cd4d66686fd26e82f366d095ad3588aacd2cc26c
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Redistributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 .. _Environment_Abstraction_Layer:
32
33 Environment Abstraction Layer
34 =============================
35
36 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
37 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
38 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
39 (that is, memory space, PCI devices, timers, consoles, and so on).
40
41 Typical services expected from the EAL are:
42
43 *   DPDK Loading and Launching:
44     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
45
46 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
47     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
48
49 *   System Memory Reservation:
50     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
51
52 *   PCI Address Abstraction: The EAL provides an interface to access PCI address space.
53
54 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
55
56 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
57
58 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
59     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
60
61 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
62
63 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
64
65 EAL in a Linux-userland Execution Environment
66 ---------------------------------------------
67
68 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
69 PCI information about devices and address space is discovered through the /sys kernel interface and through kernel modules such as uio_pci_generic, or igb_uio.
70 Refer to the UIO: User-space drivers documentation in the Linux kernel. This memory is mmap'd in the application.
71
72 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
73 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
74
75 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
76 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
77
78 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
79
80 Initialization and Core Launching
81 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
82
83 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
84 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.
85 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
86 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
87
88 .. _figure_linuxapp_launch:
89
90 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
91
92    EAL Initialization in a Linux Application Environment
93
94
95 .. note::
96
97     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
98     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
99     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
100     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
101
102 Multi-process Support
103 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
104
105 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
106 See chapter 2.20
107 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
108
109 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
110 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
111
112 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
113 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
114 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
115
116 .. note::
117
118     Memory reservations done using the APIs provided by the rte_malloc library are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
119
120 Xen Dom0 support without hugetbls
121 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
122
123 The existing memory management implementation is based on the Linux kernel hugepage mechanism.
124 However, Xen Dom0 does not support hugepages, so a new Linux kernel module rte_dom0_mm is added to workaround this limitation.
125
126 The EAL uses IOCTL interface to notify the Linux kernel module rte_dom0_mm to allocate memory of specified size,
127 and get all memory segments information from the module,
128 and the EAL uses MMAP interface to map the allocated memory.
129 For each memory segment, the physical addresses are contiguous within it but actual hardware addresses are contiguous within 2MB.
130
131 PCI Access
132 ~~~~~~~~~~
133
134 The EAL uses the /sys/bus/pci utilities provided by the kernel to scan the content on the PCI bus.
135 To access PCI memory, a kernel module called uio_pci_generic provides a /dev/uioX device file
136 and resource files in /sys
137 that can be mmap'd to obtain access to PCI address space from the application.
138 The DPDK-specific igb_uio module can also be used for this. Both drivers use the uio kernel feature (userland driver).
139
140 Per-lcore and Shared Variables
141 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
142
143 .. note::
144
145     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
146
147 Shared variables are the default behavior.
148 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
149
150 Logs
151 ~~~~
152
153 A logging API is provided by EAL.
154 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
155 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
156
157 Trace and Debug Functions
158 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
159
160 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
161 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
162 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
163
164 CPU Feature Identification
165 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
166
167 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_feature() function) to determine which CPU features are available.
168
169 User Space Interrupt and Alarm Handling
170 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
171
172 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
173 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
174 and are called in the host thread asynchronously.
175 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
176
177 .. note::
178
179     The only interrupts supported by the DPDK Poll-Mode Drivers are those for link status change,
180     i.e. link up and link down notification.
181
182 Blacklisting
183 ~~~~~~~~~~~~
184
185 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
186 so they are ignored by the DPDK.
187 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
188
189 Misc Functions
190 ~~~~~~~~~~~~~~
191
192 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
193
194 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
195 ------------------------------------------
196
197 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
198 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
199 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a contiguous portion of memory.
200
201 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
202 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
203
204 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
205 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
206 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
207
208 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
209 (by default, they are aligned to cache line size).
210 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
211 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
212
213
214 Multiple pthread
215 ----------------
216
217 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
218 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
219
220 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
221 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
222 the full capability of the CPU.
223
224 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
225 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
226 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
227
228 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
229
230 EAL pthread and lcore Affinity
231 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
232
233 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
234 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
235 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
236 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
237
238 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
239 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.
240 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
241 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
242
243 The format pattern:
244         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
245
246 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
247
248 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
249
250 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
251
252     ::
253
254         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
255             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
256             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
257             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
258             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
259             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
260             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
261             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
262
263 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
264 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
265
266 non-EAL pthread support
267 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
268
269 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
270 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*.
271 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).
272
273 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
274
275 Public Thread API
276 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
277
278 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_pthread_get_affinity()`` introduced for threads.
279 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
280
281 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
282
283 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
284
285 *       *_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.
286
287
288 .. _known_issue_label:
289
290 Known Issues
291 ~~~~~~~~~~~~
292
293 + rte_mempool
294
295   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
296   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
297   So for now, when rte_mempool is used with non-EAL pthreads, the put/get operations will bypass the mempool cache and there is a performance penalty because of this bypass.
298   Support for non-EAL mempool cache is currently being enabled.
299
300 + rte_ring
301
302   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
303   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
304
305   .. note::
306
307     The "non-preemptive" constraint means:
308
309     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
310       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
311       the same ring.
312     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
313       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
314       the same ring.
315
316     Bypassing this constraint it may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
317     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
318
319   This does not mean it cannot be used, simply, there is a need to narrow down the situation when it is used by multi-pthread on the same core.
320
321   1. It CAN be used for any single-producer or single-consumer situation.
322
323   2. It MAY be used by multi-producer/consumer pthread whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs). User SHOULD be aware of the performance penalty before using it.
324
325   3. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
326
327   ``RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT`` is defined for rte_ring to reduce contention. It's mainly for case 2, a yield is issued after number of times pause repeat.
328
329   It adds a sched_yield() syscall if the thread spins for too long while waiting on the other thread to finish its operations on the ring.
330   This gives the preempted thread a chance to proceed and finish with the ring enqueue/dequeue operation.
331
332 + rte_timer
333
334   Running  ``rte_timer_manager()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
335
336 + rte_log
337
338   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
339
340 + misc
341
342   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
343
344 cgroup control
345 ~~~~~~~~~~~~~~
346
347 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).
348 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
349
350   .. code-block:: console
351
352     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
353     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
354
355     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
356
357     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
358     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
359
360     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
361     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
362
363     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
364     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
365     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
366
367
368 Malloc
369 ------
370
371 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
372
373 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
374 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
375 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
376
377 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
378 processing because they are slower than pool-based allocation and make
379 use of locks within the allocation and free paths.
380 However, they can be used in configuration code.
381
382 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
383 manual for more information.
384
385 Cookies
386 ~~~~~~~
387
388 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
389 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
390
391 Alignment and NUMA Constraints
392 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
393
394 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
395 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
396
397 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
398 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
399 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
400 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
401 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
402 on the one doing the memory allocation.
403
404 Use Cases
405 ~~~~~~~~~
406
407 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
408 functions at initialization time.
409
410 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
411 the memory pool library should be used instead.
412
413 Internal Implementation
414 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
415
416 Data Structures
417 ^^^^^^^^^^^^^^^
418
419 There are two data structure types used internally in the malloc library:
420
421 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
422
423 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
424     tracking inside the library.
425
426 Structure: malloc_heap
427 """"""""""""""""""""""
428
429 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
430 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
431 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
432 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
433 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
434 or random node.
435
436 The key fields of the heap structure and their function are described below
437 (see also diagram above):
438
439 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
440     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
441     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
442
443 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
444     this malloc heap.
445
446 .. note::
447
448     The malloc_heap structure does not keep track of in-use blocks of memory,
449     since these are never touched except when they are to be freed again -
450     at which point the pointer to the block is an input to the free() function.
451
452 .. _figure_malloc_heap:
453
454 .. figure:: img/malloc_heap.*
455
456    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
457
458
459 .. _malloc_elem:
460
461 Structure: malloc_elem
462 """"""""""""""""""""""
463
464 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
465 blocks of memory.
466 It is used in three different ways - all shown in the diagram above:
467
468 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
469
470 #.  As a padding header inside a block of memory
471
472 #.  As an end-of-memseg marker
473
474 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
475
476 .. note::
477
478     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
479     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
480     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
481     fields have valid values.
482
483 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
484     this block was allocated.
485     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
486     newly-freed block to the heap's free-list.
487
488 *   prev - this pointer points to the header element/block in the memseg
489     immediately behind the current one. When freeing a block, this pointer is
490     used to reference the previous block to check if that block is also free.
491     If so, then the two free blocks are merged to form a single larger block.
492
493 *   next_free - this pointer is used to chain the free-list of unallocated
494     memory blocks together.
495     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
496     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
497     the free-list.
498
499 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
500     ``PAD``.
501     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
502     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
503     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
504     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
505     constraints.
506     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
507     header for the block.
508     For the end-of-memseg structure, this is always a ``BUSY`` value, which
509     ensures that no element, on being freed, searches beyond the end of the
510     memseg for other blocks to merge with into a larger free area.
511
512 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
513     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
514     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
515     value passed back to the application on a malloc.
516     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
517     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
518     actual block header.
519
520 *   size - the size of the data block, including the header itself.
521     For end-of-memseg structures, this size is given as zero, though it is never
522     actually checked.
523     For normal blocks which are being freed, this size value is used in place of
524     a "next" pointer to identify the location of the next block of memory that
525     in the case of being ``FREE``, the two free blocks can be merged into one.
526
527 Memory Allocation
528 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
529
530 On EAL initialisation, all memsegs are setup as part of the malloc heap.
531 This setup involves placing a dummy structure at the end with ``BUSY`` state,
532 which may contain a sentinel value if ``CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG`` is enabled,
533 and a proper :ref:`element header<malloc_elem>` with ``FREE`` at the start
534 for each memseg.
535 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
536
537 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
538 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
539 determine the NUMA node of that thread.
540 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
541 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
542 requested size, type, alignment and boundary parameters.
543
544 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
545 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
546 requested alignment and boundary constraints.
547
548 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
549 to the user is calculated.
550 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
551 struct malloc_elem header.
552 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
553 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
554
555 #. Check for trailing space.
556    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
557    is split.
558    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
559
560 #. Check for space at the start of the element.
561    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
562    used, and the remaining space is wasted.
563    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
564
565 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
566 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
567 on the free list just has its size pointer adjusted, and the following element
568 has its "prev" pointer redirected to the newly created element.
569
570 Freeing Memory
571 ^^^^^^^^^^^^^^
572
573 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
574 to the free function.
575 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
576 the element header for the block.
577 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
578 the pointer to get the proper element header for the entire block.
579
580 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
581 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
582 element, and via the size field, we can calculate the pointer to the next element.
583 These next and previous elements are then checked to see if they are also
584 ``FREE``, and if so, they are merged with the current element.
585 This means that we can never have two ``FREE`` memory blocks adjacent to one
586 another, as they are always merged into a single block.