mem: allow registering external memory areas
[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. There are two ways in
230 which using externally allocated memory can work: the malloc heap API's, and
231 manual memory management.
232
233 + Using heap API's for externally allocated memory
234
235 Using using a set of malloc heap API's is the recommended way to use externally
236 allocated memory in DPDK. In this way, support for externally allocated memory
237 is implemented through overloading the socket ID - externally allocated heaps
238 will have socket ID's that would be considered invalid under normal
239 circumstances. Requesting an allocation to take place from a specified
240 externally allocated memory is a matter of supplying the correct socket ID to
241 DPDK allocator, either directly (e.g. through a call to ``rte_malloc``) or
242 indirectly (through data structure-specific allocation API's such as
243 ``rte_ring_create``). Using these API's also ensures that mapping of externally
244 allocated memory for DMA is also performed on any memory segment that is added
245 to a DPDK malloc heap.
246
247 Since there is no way DPDK can verify whether memory is available or valid, this
248 responsibility falls on the shoulders of the user. All multiprocess
249 synchronization is also user's responsibility, as well as ensuring  that all
250 calls to add/attach/detach/remove memory are done in the correct order. It is
251 not required to attach to a memory area in all processes - only attach to memory
252 areas as needed.
253
254 The expected workflow is as follows:
255
256 * Get a pointer to memory area
257 * Create a named heap
258 * Add memory area(s) to the heap
259     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
260       unavailable, and DMA mappings will not be performed
261     - Other processes must attach to the memory area before they can use it
262 * Get socket ID used for the heap
263 * Use normal DPDK allocation procedures, using supplied socket ID
264 * If memory area is no longer needed, it can be removed from the heap
265     - Other processes must detach from this memory area before it can be removed
266 * If heap is no longer needed, remove it
267     - Socket ID will become invalid and will not be reused
268
269 For more information, please refer to ``rte_malloc`` API documentation,
270 specifically the ``rte_malloc_heap_*`` family of function calls.
271
272 + Using externally allocated memory without DPDK API's
273
274 While using heap API's is the recommended method of using externally allocated
275 memory in DPDK, there are certain use cases where the overhead of DPDK heap API
276 is undesirable - for example, when manual memory management is performed on an
277 externally allocated area. To support use cases where externally allocated
278 memory will not be used as part of normal DPDK workflow, there is also another
279 set of API's under the ``rte_extmem_*`` namespace.
280
281 These API's are (as their name implies) intended to allow registering or
282 unregistering externally allocated memory to/from DPDK's internal page table, to
283 allow API's like ``rte_virt2memseg`` etc. to work with externally allocated
284 memory. Memory added this way will not be available for any regular DPDK
285 allocators; DPDK will leave this memory for the user application to manage.
286
287 The expected workflow is as follows:
288
289 * Get a pointer to memory area
290 * Register memory within DPDK
291     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
292       unavailable
293 * Perform DMA mapping with ``rte_vfio_dma_map`` if needed
294 * Use the memory area in your application
295 * If memory area is no longer needed, it can be unregistered
296     - If the area was mapped for DMA, unmapping must be performed before
297       unregistering memory
298
299 Since these externally allocated memory areas will not be managed by DPDK, it is
300 therefore up to the user application to decide how to use them and what to do
301 with them once they're registered.
302
303 Per-lcore and Shared Variables
304 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
305
306 .. note::
307
308     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
309
310 Shared variables are the default behavior.
311 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
312
313 Logs
314 ~~~~
315
316 A logging API is provided by EAL.
317 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
318 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
319
320 Trace and Debug Functions
321 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
322
323 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
324 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
325 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
326
327 CPU Feature Identification
328 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
329
330 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
331
332 User Space Interrupt Event
333 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
334
335 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
336
337 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
338 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
339 and are called in the host thread asynchronously.
340 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
341
342 .. note::
343
344     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
345     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
346
347
348 + RX Interrupt Event
349
350 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
351 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
352 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
353
354 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
355 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
356 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
357 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
358 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
359
360 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
361 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
362 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
363
364 .. note::
365
366     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
367     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
368     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
369
370 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
371 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
372
373 + Device Removal Event
374
375 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
376 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
377 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
378 still safely use its callbacks.
379
380 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
381 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
382 dedicated interrupt host thread.
383
384 Considering this, it is likely that an application would want to close a
385 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
386 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
387 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
388 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
389
390 Blacklisting
391 ~~~~~~~~~~~~
392
393 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
394 so they are ignored by the DPDK.
395 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
396
397 Misc Functions
398 ~~~~~~~~~~~~~~
399
400 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
401
402 IOVA Mode Configuration
403 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
404
405 Auto detection of the IOVA mode, based on probing the bus and IOMMU configuration, may not report
406 the desired addressing mode when virtual devices that are not directly attached to the bus are present.
407 To facilitate forcing the IOVA mode to a specific value the EAL command line option ``--iova-mode`` can
408 be used to select either physical addressing('pa') or virtual addressing('va').
409
410 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
411 ------------------------------------------
412
413 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
414 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
415 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a physical page.
416
417 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
418 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
419
420 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
421 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
422 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
423
424 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
425 (by default, they are aligned to cache line size).
426 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
427 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
428
429 Both memsegs and memzones are stored using ``rte_fbarray`` structures. Please
430 refer to *DPDK API Reference* for more information.
431
432
433 Multiple pthread
434 ----------------
435
436 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
437 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
438
439 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
440 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
441 the full capability of the CPU.
442
443 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
444 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
445 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
446
447 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
448
449 EAL pthread and lcore Affinity
450 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
451
452 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
453 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
454 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
455 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
456
457 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
458 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.
459 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
460 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
461
462 The format pattern:
463         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
464
465 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
466
467 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
468
469 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
470
471     ::
472
473         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
474             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
475             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
476             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
477             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
478             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
479             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
480             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
481
482 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
483 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
484
485 non-EAL pthread support
486 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
487
488 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
489 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*.
490 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).
491
492 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
493
494 Public Thread API
495 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
496
497 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
498 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
499
500 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
501
502 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
503
504 *       *_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.
505
506
507 .. _known_issue_label:
508
509 Known Issues
510 ~~~~~~~~~~~~
511
512 + rte_mempool
513
514   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
515   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
516   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.
517   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.
518
519 + rte_ring
520
521   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
522   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
523
524   .. note::
525
526     The "non-preemptive" constraint means:
527
528     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
529       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
530       the same ring.
531     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
532       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
533       the same ring.
534
535     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
536     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
537
538   This means, use cases involving preemptible pthreads should consider using rte_ring carefully.
539
540   1. It CAN be used for preemptible single-producer and single-consumer use case.
541
542   2. It CAN be used for non-preemptible multi-producer and preemptible single-consumer use case.
543
544   3. It CAN be used for preemptible single-producer and non-preemptible multi-consumer use case.
545
546   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.
547
548   5. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
549
550 + rte_timer
551
552   Running  ``rte_timer_manage()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
553
554 + rte_log
555
556   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
557
558 + misc
559
560   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
561
562 cgroup control
563 ~~~~~~~~~~~~~~
564
565 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).
566 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
567
568   .. code-block:: console
569
570     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
571     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
572
573     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
574
575     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
576     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
577
578     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
579     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
580
581     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
582     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
583     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
584
585
586 Malloc
587 ------
588
589 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
590
591 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
592 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
593 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
594
595 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
596 processing because they are slower than pool-based allocation and make
597 use of locks within the allocation and free paths.
598 However, they can be used in configuration code.
599
600 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
601 manual for more information.
602
603 Cookies
604 ~~~~~~~
605
606 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
607 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
608
609 Alignment and NUMA Constraints
610 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
611
612 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
613 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
614
615 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
616 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
617 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
618 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
619 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
620 on the one doing the memory allocation.
621
622 Use Cases
623 ~~~~~~~~~
624
625 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
626 functions at initialization time.
627
628 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
629 the memory pool library should be used instead.
630
631 Internal Implementation
632 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
633
634 Data Structures
635 ^^^^^^^^^^^^^^^
636
637 There are two data structure types used internally in the malloc library:
638
639 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
640
641 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
642     tracking inside the library.
643
644 Structure: malloc_heap
645 """"""""""""""""""""""
646
647 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
648 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
649 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
650 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
651 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
652 or random node.
653
654 The key fields of the heap structure and their function are described below
655 (see also diagram above):
656
657 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
658     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
659     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
660
661 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
662     this malloc heap.
663
664 *   first - this points to the first element in the heap.
665
666 *   last - this points to the last element in the heap.
667
668 .. _figure_malloc_heap:
669
670 .. figure:: img/malloc_heap.*
671
672    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
673
674
675 .. _malloc_elem:
676
677 Structure: malloc_elem
678 """"""""""""""""""""""
679
680 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
681 blocks of memory.
682 It is used in two different ways - all shown in the diagram above:
683
684 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
685
686 #.  As a padding header inside a block of memory
687
688 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
689
690 Malloc heap is a doubly-linked list, where each element keeps track of its
691 previous and next elements. Due to the fact that hugepage memory can come and
692 go, neighbouring malloc elements may not necessarily be adjacent in memory.
693 Also, since a malloc element may span multiple pages, its contents may not
694 necessarily be IOVA-contiguous either - each malloc element is only guaranteed
695 to be virtually contiguous.
696
697 .. note::
698
699     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
700     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
701     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
702     fields have valid values.
703
704 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
705     this block was allocated.
706     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
707     newly-freed block to the heap's free-list.
708
709 *   prev - this pointer points to previous header element/block in memory. When
710     freeing a block, this pointer is used to reference the previous block to
711     check if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
712     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
713     larger block.
714
715 *   next - this pointer points to next header element/block in memory. When
716     freeing a block, this pointer is used to reference the next block to check
717     if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
718     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
719     larger block.
720
721 *   free_list - this is a structure pointing to previous and next elements in
722     this heap's free list.
723     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
724     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
725     the free-list.
726
727 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
728     ``PAD``.
729     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
730     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
731     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
732     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
733     constraints.
734     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
735     header for the block.
736
737 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
738     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
739     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
740     value passed back to the application on a malloc.
741     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
742     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
743     actual block header.
744
745 *   size - the size of the data block, including the header itself.
746
747 Memory Allocation
748 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
749
750 On EAL initialization, all preallocated memory segments are setup as part of the
751 malloc heap. This setup involves placing an :ref:`element header<malloc_elem>`
752 with ``FREE`` at the start of each virtually contiguous segment of memory.
753 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
754
755 This setup also happens whenever memory is allocated at runtime (if supported),
756 in which case newly allocated pages are also added to the heap, merging with any
757 adjacent free segments if there are any.
758
759 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
760 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
761 determine the NUMA node of that thread.
762 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
763 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
764 requested size, type, alignment and boundary parameters.
765
766 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
767 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
768 requested alignment and boundary constraints.
769
770 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
771 to the user is calculated.
772 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
773 struct malloc_elem header.
774 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
775 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
776
777 #. Check for trailing space.
778    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
779    is split.
780    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
781
782 #. Check for space at the start of the element.
783    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
784    used, and the remaining space is wasted.
785    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
786
787 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
788 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
789 on the free list just has its size value adjusted, and the next/previous elements
790 have their "prev"/"next" pointers redirected to the newly created element.
791
792 In case when there is not enough memory in the heap to satisfy allocation
793 request, EAL will attempt to allocate more memory from the system (if supported)
794 and, following successful allocation, will retry reserving the memory again. In
795 a multiprocessing scenario, all primary and secondary processes will synchronize
796 their memory maps to ensure that any valid pointer to DPDK memory is guaranteed
797 to be valid at all times in all currently running processes.
798
799 Failure to synchronize memory maps in one of the processes will cause allocation
800 to fail, even though some of the processes may have allocated the memory
801 successfully. The memory is not added to the malloc heap unless primary process
802 has ensured that all other processes have mapped this memory successfully.
803
804 Any successful allocation event will trigger a callback, for which user
805 applications and other DPDK subsystems can register. Additionally, validation
806 callbacks will be triggered before allocation if the newly allocated memory will
807 exceed threshold set by the user, giving a chance to allow or deny allocation.
808
809 .. note::
810
811     Any allocation of new pages has to go through primary process. If the
812     primary process is not active, no memory will be allocated even if it was
813     theoretically possible to do so. This is because primary's process map acts
814     as an authority on what should or should not be mapped, while each secondary
815     process has its own, local memory map. Secondary processes do not update the
816     shared memory map, they only copy its contents to their local memory map.
817
818 Freeing Memory
819 ^^^^^^^^^^^^^^
820
821 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
822 to the free function.
823 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
824 the element header for the block.
825 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
826 the pointer to get the proper element header for the entire block.
827
828 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
829 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
830 and next elements. These next and previous elements are then checked to see if
831 they are also ``FREE`` and are immediately adjacent to the current one, and if
832 so, they are merged with the current element. This means that we can never have
833 two ``FREE`` memory blocks adjacent to one another, as they are always merged
834 into a single block.
835
836 If deallocating pages at runtime is supported, and the free element encloses
837 one or more pages, those pages can be deallocated and be removed from the heap.
838 If DPDK was started with command-line parameters for preallocating memory
839 (``-m`` or ``--socket-mem``), then those pages that were allocated at startup
840 will not be deallocated.
841
842 Any successful deallocation event will trigger a callback, for which user
843 applications and other DPDK subsystems can register.