Merge tag 'zstd-linus-v6.2' of https://github.com/terrelln/linux
[linux-block.git] / Documentation / mm / slub.rst
1 .. _slub:
2
3 ==========================
4 Short users guide for SLUB
5 ==========================
6
7 The basic philosophy of SLUB is very different from SLAB. SLAB
8 requires rebuilding the kernel to activate debug options for all
9 slab caches. SLUB always includes full debugging but it is off by default.
10 SLUB can enable debugging only for selected slabs in order to avoid
11 an impact on overall system performance which may make a bug more
12 difficult to find.
13
14 In order to switch debugging on one can add an option ``slub_debug``
15 to the kernel command line. That will enable full debugging for
16 all slabs.
17
18 Typically one would then use the ``slabinfo`` command to get statistical
19 data and perform operation on the slabs. By default ``slabinfo`` only lists
20 slabs that have data in them. See "slabinfo -h" for more options when
21 running the command. ``slabinfo`` can be compiled with
22 ::
23
24         gcc -o slabinfo tools/vm/slabinfo.c
25
26 Some of the modes of operation of ``slabinfo`` require that slub debugging
27 be enabled on the command line. F.e. no tracking information will be
28 available without debugging on and validation can only partially
29 be performed if debugging was not switched on.
30
31 Some more sophisticated uses of slub_debug:
32 -------------------------------------------
33
34 Parameters may be given to ``slub_debug``. If none is specified then full
35 debugging is enabled. Format:
36
37 slub_debug=<Debug-Options>
38         Enable options for all slabs
39
40 slub_debug=<Debug-Options>,<slab name1>,<slab name2>,...
41         Enable options only for select slabs (no spaces
42         after a comma)
43
44 Multiple blocks of options for all slabs or selected slabs can be given, with
45 blocks of options delimited by ';'. The last of "all slabs" blocks is applied
46 to all slabs except those that match one of the "select slabs" block. Options
47 of the first "select slabs" blocks that matches the slab's name are applied.
48
49 Possible debug options are::
50
51         F               Sanity checks on (enables SLAB_DEBUG_CONSISTENCY_CHECKS
52                         Sorry SLAB legacy issues)
53         Z               Red zoning
54         P               Poisoning (object and padding)
55         U               User tracking (free and alloc)
56         T               Trace (please only use on single slabs)
57         A               Enable failslab filter mark for the cache
58         O               Switch debugging off for caches that would have
59                         caused higher minimum slab orders
60         -               Switch all debugging off (useful if the kernel is
61                         configured with CONFIG_SLUB_DEBUG_ON)
62
63 F.e. in order to boot just with sanity checks and red zoning one would specify::
64
65         slub_debug=FZ
66
67 Trying to find an issue in the dentry cache? Try::
68
69         slub_debug=,dentry
70
71 to only enable debugging on the dentry cache.  You may use an asterisk at the
72 end of the slab name, in order to cover all slabs with the same prefix.  For
73 example, here's how you can poison the dentry cache as well as all kmalloc
74 slabs::
75
76         slub_debug=P,kmalloc-*,dentry
77
78 Red zoning and tracking may realign the slab.  We can just apply sanity checks
79 to the dentry cache with::
80
81         slub_debug=F,dentry
82
83 Debugging options may require the minimum possible slab order to increase as
84 a result of storing the metadata (for example, caches with PAGE_SIZE object
85 sizes).  This has a higher liklihood of resulting in slab allocation errors
86 in low memory situations or if there's high fragmentation of memory.  To
87 switch off debugging for such caches by default, use::
88
89         slub_debug=O
90
91 You can apply different options to different list of slab names, using blocks
92 of options. This will enable red zoning for dentry and user tracking for
93 kmalloc. All other slabs will not get any debugging enabled::
94
95         slub_debug=Z,dentry;U,kmalloc-*
96
97 You can also enable options (e.g. sanity checks and poisoning) for all caches
98 except some that are deemed too performance critical and don't need to be
99 debugged by specifying global debug options followed by a list of slab names
100 with "-" as options::
101
102         slub_debug=FZ;-,zs_handle,zspage
103
104 The state of each debug option for a slab can be found in the respective files
105 under::
106
107         /sys/kernel/slab/<slab name>/
108
109 If the file contains 1, the option is enabled, 0 means disabled. The debug
110 options from the ``slub_debug`` parameter translate to the following files::
111
112         F       sanity_checks
113         Z       red_zone
114         P       poison
115         U       store_user
116         T       trace
117         A       failslab
118
119 failslab file is writable, so writing 1 or 0 will enable or disable
120 the option at runtime. Write returns -EINVAL if cache is an alias.
121 Careful with tracing: It may spew out lots of information and never stop if
122 used on the wrong slab.
123
124 Slab merging
125 ============
126
127 If no debug options are specified then SLUB may merge similar slabs together
128 in order to reduce overhead and increase cache hotness of objects.
129 ``slabinfo -a`` displays which slabs were merged together.
130
131 Slab validation
132 ===============
133
134 SLUB can validate all object if the kernel was booted with slub_debug. In
135 order to do so you must have the ``slabinfo`` tool. Then you can do
136 ::
137
138         slabinfo -v
139
140 which will test all objects. Output will be generated to the syslog.
141
142 This also works in a more limited way if boot was without slab debug.
143 In that case ``slabinfo -v`` simply tests all reachable objects. Usually
144 these are in the cpu slabs and the partial slabs. Full slabs are not
145 tracked by SLUB in a non debug situation.
146
147 Getting more performance
148 ========================
149
150 To some degree SLUB's performance is limited by the need to take the
151 list_lock once in a while to deal with partial slabs. That overhead is
152 governed by the order of the allocation for each slab. The allocations
153 can be influenced by kernel parameters:
154
155 .. slub_min_objects=x           (default 4)
156 .. slub_min_order=x             (default 0)
157 .. slub_max_order=x             (default 3 (PAGE_ALLOC_COSTLY_ORDER))
158
159 ``slub_min_objects``
160         allows to specify how many objects must at least fit into one
161         slab in order for the allocation order to be acceptable.  In
162         general slub will be able to perform this number of
163         allocations on a slab without consulting centralized resources
164         (list_lock) where contention may occur.
165
166 ``slub_min_order``
167         specifies a minimum order of slabs. A similar effect like
168         ``slub_min_objects``.
169
170 ``slub_max_order``
171         specified the order at which ``slub_min_objects`` should no
172         longer be checked. This is useful to avoid SLUB trying to
173         generate super large order pages to fit ``slub_min_objects``
174         of a slab cache with large object sizes into one high order
175         page. Setting command line parameter
176         ``debug_guardpage_minorder=N`` (N > 0), forces setting
177         ``slub_max_order`` to 0, what cause minimum possible order of
178         slabs allocation.
179
180 SLUB Debug output
181 =================
182
183 Here is a sample of slub debug output::
184
185  ====================================================================
186  BUG kmalloc-8: Right Redzone overwritten
187  --------------------------------------------------------------------
188
189  INFO: 0xc90f6d28-0xc90f6d2b. First byte 0x00 instead of 0xcc
190  INFO: Slab 0xc528c530 flags=0x400000c3 inuse=61 fp=0xc90f6d58
191  INFO: Object 0xc90f6d20 @offset=3360 fp=0xc90f6d58
192  INFO: Allocated in get_modalias+0x61/0xf5 age=53 cpu=1 pid=554
193
194  Bytes b4 (0xc90f6d10): 00 00 00 00 00 00 00 00 5a 5a 5a 5a 5a 5a 5a 5a ........ZZZZZZZZ
195  Object   (0xc90f6d20): 31 30 31 39 2e 30 30 35                         1019.005
196  Redzone  (0xc90f6d28): 00 cc cc cc                                     .
197  Padding  (0xc90f6d50): 5a 5a 5a 5a 5a 5a 5a 5a                         ZZZZZZZZ
198
199    [<c010523d>] dump_trace+0x63/0x1eb
200    [<c01053df>] show_trace_log_lvl+0x1a/0x2f
201    [<c010601d>] show_trace+0x12/0x14
202    [<c0106035>] dump_stack+0x16/0x18
203    [<c017e0fa>] object_err+0x143/0x14b
204    [<c017e2cc>] check_object+0x66/0x234
205    [<c017eb43>] __slab_free+0x239/0x384
206    [<c017f446>] kfree+0xa6/0xc6
207    [<c02e2335>] get_modalias+0xb9/0xf5
208    [<c02e23b7>] dmi_dev_uevent+0x27/0x3c
209    [<c027866a>] dev_uevent+0x1ad/0x1da
210    [<c0205024>] kobject_uevent_env+0x20a/0x45b
211    [<c020527f>] kobject_uevent+0xa/0xf
212    [<c02779f1>] store_uevent+0x4f/0x58
213    [<c027758e>] dev_attr_store+0x29/0x2f
214    [<c01bec4f>] sysfs_write_file+0x16e/0x19c
215    [<c0183ba7>] vfs_write+0xd1/0x15a
216    [<c01841d7>] sys_write+0x3d/0x72
217    [<c0104112>] sysenter_past_esp+0x5f/0x99
218    [<b7f7b410>] 0xb7f7b410
219    =======================
220
221  FIX kmalloc-8: Restoring Redzone 0xc90f6d28-0xc90f6d2b=0xcc
222
223 If SLUB encounters a corrupted object (full detection requires the kernel
224 to be booted with slub_debug) then the following output will be dumped
225 into the syslog:
226
227 1. Description of the problem encountered
228
229    This will be a message in the system log starting with::
230
231      ===============================================
232      BUG <slab cache affected>: <What went wrong>
233      -----------------------------------------------
234
235      INFO: <corruption start>-<corruption_end> <more info>
236      INFO: Slab <address> <slab information>
237      INFO: Object <address> <object information>
238      INFO: Allocated in <kernel function> age=<jiffies since alloc> cpu=<allocated by
239         cpu> pid=<pid of the process>
240      INFO: Freed in <kernel function> age=<jiffies since free> cpu=<freed by cpu>
241         pid=<pid of the process>
242
243    (Object allocation / free information is only available if SLAB_STORE_USER is
244    set for the slab. slub_debug sets that option)
245
246 2. The object contents if an object was involved.
247
248    Various types of lines can follow the BUG SLUB line:
249
250    Bytes b4 <address> : <bytes>
251         Shows a few bytes before the object where the problem was detected.
252         Can be useful if the corruption does not stop with the start of the
253         object.
254
255    Object <address> : <bytes>
256         The bytes of the object. If the object is inactive then the bytes
257         typically contain poison values. Any non-poison value shows a
258         corruption by a write after free.
259
260    Redzone <address> : <bytes>
261         The Redzone following the object. The Redzone is used to detect
262         writes after the object. All bytes should always have the same
263         value. If there is any deviation then it is due to a write after
264         the object boundary.
265
266         (Redzone information is only available if SLAB_RED_ZONE is set.
267         slub_debug sets that option)
268
269    Padding <address> : <bytes>
270         Unused data to fill up the space in order to get the next object
271         properly aligned. In the debug case we make sure that there are
272         at least 4 bytes of padding. This allows the detection of writes
273         before the object.
274
275 3. A stackdump
276
277    The stackdump describes the location where the error was detected. The cause
278    of the corruption is may be more likely found by looking at the function that
279    allocated or freed the object.
280
281 4. Report on how the problem was dealt with in order to ensure the continued
282    operation of the system.
283
284    These are messages in the system log beginning with::
285
286         FIX <slab cache affected>: <corrective action taken>
287
288    In the above sample SLUB found that the Redzone of an active object has
289    been overwritten. Here a string of 8 characters was written into a slab that
290    has the length of 8 characters. However, a 8 character string needs a
291    terminating 0. That zero has overwritten the first byte of the Redzone field.
292    After reporting the details of the issue encountered the FIX SLUB message
293    tells us that SLUB has restored the Redzone to its proper value and then
294    system operations continue.
295
296 Emergency operations
297 ====================
298
299 Minimal debugging (sanity checks alone) can be enabled by booting with::
300
301         slub_debug=F
302
303 This will be generally be enough to enable the resiliency features of slub
304 which will keep the system running even if a bad kernel component will
305 keep corrupting objects. This may be important for production systems.
306 Performance will be impacted by the sanity checks and there will be a
307 continual stream of error messages to the syslog but no additional memory
308 will be used (unlike full debugging).
309
310 No guarantees. The kernel component still needs to be fixed. Performance
311 may be optimized further by locating the slab that experiences corruption
312 and enabling debugging only for that cache
313
314 I.e.::
315
316         slub_debug=F,dentry
317
318 If the corruption occurs by writing after the end of the object then it
319 may be advisable to enable a Redzone to avoid corrupting the beginning
320 of other objects::
321
322         slub_debug=FZ,dentry
323
324 Extended slabinfo mode and plotting
325 ===================================
326
327 The ``slabinfo`` tool has a special 'extended' ('-X') mode that includes:
328  - Slabcache Totals
329  - Slabs sorted by size (up to -N <num> slabs, default 1)
330  - Slabs sorted by loss (up to -N <num> slabs, default 1)
331
332 Additionally, in this mode ``slabinfo`` does not dynamically scale
333 sizes (G/M/K) and reports everything in bytes (this functionality is
334 also available to other slabinfo modes via '-B' option) which makes
335 reporting more precise and accurate. Moreover, in some sense the `-X'
336 mode also simplifies the analysis of slabs' behaviour, because its
337 output can be plotted using the ``slabinfo-gnuplot.sh`` script. So it
338 pushes the analysis from looking through the numbers (tons of numbers)
339 to something easier -- visual analysis.
340
341 To generate plots:
342
343 a) collect slabinfo extended records, for example::
344
345         while [ 1 ]; do slabinfo -X >> FOO_STATS; sleep 1; done
346
347 b) pass stats file(-s) to ``slabinfo-gnuplot.sh`` script::
348
349         slabinfo-gnuplot.sh FOO_STATS [FOO_STATS2 .. FOO_STATSN]
350
351    The ``slabinfo-gnuplot.sh`` script will pre-processes the collected records
352    and generates 3 png files (and 3 pre-processing cache files) per STATS
353    file:
354    - Slabcache Totals: FOO_STATS-totals.png
355    - Slabs sorted by size: FOO_STATS-slabs-by-size.png
356    - Slabs sorted by loss: FOO_STATS-slabs-by-loss.png
357
358 Another use case, when ``slabinfo-gnuplot.sh`` can be useful, is when you
359 need to compare slabs' behaviour "prior to" and "after" some code
360 modification.  To help you out there, ``slabinfo-gnuplot.sh`` script
361 can 'merge' the `Slabcache Totals` sections from different
362 measurements. To visually compare N plots:
363
364 a) Collect as many STATS1, STATS2, .. STATSN files as you need::
365
366         while [ 1 ]; do slabinfo -X >> STATS<X>; sleep 1; done
367
368 b) Pre-process those STATS files::
369
370         slabinfo-gnuplot.sh STATS1 STATS2 .. STATSN
371
372 c) Execute ``slabinfo-gnuplot.sh`` in '-t' mode, passing all of the
373    generated pre-processed \*-totals::
374
375         slabinfo-gnuplot.sh -t STATS1-totals STATS2-totals .. STATSN-totals
376
377    This will produce a single plot (png file).
378
379    Plots, expectedly, can be large so some fluctuations or small spikes
380    can go unnoticed. To deal with that, ``slabinfo-gnuplot.sh`` has two
381    options to 'zoom-in'/'zoom-out':
382
383    a) ``-s %d,%d`` -- overwrites the default image width and height
384    b) ``-r %d,%d`` -- specifies a range of samples to use (for example,
385       in ``slabinfo -X >> FOO_STATS; sleep 1;`` case, using a ``-r
386       40,60`` range will plot only samples collected between 40th and
387       60th seconds).
388
389
390 DebugFS files for SLUB
391 ======================
392
393 For more information about current state of SLUB caches with the user tracking
394 debug option enabled, debugfs files are available, typically under
395 /sys/kernel/debug/slab/<cache>/ (created only for caches with enabled user
396 tracking). There are 2 types of these files with the following debug
397 information:
398
399 1. alloc_traces::
400
401     Prints information about unique allocation traces of the currently
402     allocated objects. The output is sorted by frequency of each trace.
403
404     Information in the output:
405     Number of objects, allocating function, possible memory wastage of
406     kmalloc objects(total/per-object), minimal/average/maximal jiffies
407     since alloc, pid range of the allocating processes, cpu mask of
408     allocating cpus, numa node mask of origins of memory, and stack trace.
409
410     Example:::
411
412     338 pci_alloc_dev+0x2c/0xa0 waste=521872/1544 age=290837/291891/293509 pid=1 cpus=106 nodes=0-1
413         __kmem_cache_alloc_node+0x11f/0x4e0
414         kmalloc_trace+0x26/0xa0
415         pci_alloc_dev+0x2c/0xa0
416         pci_scan_single_device+0xd2/0x150
417         pci_scan_slot+0xf7/0x2d0
418         pci_scan_child_bus_extend+0x4e/0x360
419         acpi_pci_root_create+0x32e/0x3b0
420         pci_acpi_scan_root+0x2b9/0x2d0
421         acpi_pci_root_add.cold.11+0x110/0xb0a
422         acpi_bus_attach+0x262/0x3f0
423         device_for_each_child+0xb7/0x110
424         acpi_dev_for_each_child+0x77/0xa0
425         acpi_bus_attach+0x108/0x3f0
426         device_for_each_child+0xb7/0x110
427         acpi_dev_for_each_child+0x77/0xa0
428         acpi_bus_attach+0x108/0x3f0
429
430 2. free_traces::
431
432     Prints information about unique freeing traces of the currently allocated
433     objects. The freeing traces thus come from the previous life-cycle of the
434     objects and are reported as not available for objects allocated for the first
435     time. The output is sorted by frequency of each trace.
436
437     Information in the output:
438     Number of objects, freeing function, minimal/average/maximal jiffies since free,
439     pid range of the freeing processes, cpu mask of freeing cpus, and stack trace.
440
441     Example:::
442
443     1980 <not-available> age=4294912290 pid=0 cpus=0
444     51 acpi_ut_update_ref_count+0x6a6/0x782 age=236886/237027/237772 pid=1 cpus=1
445         kfree+0x2db/0x420
446         acpi_ut_update_ref_count+0x6a6/0x782
447         acpi_ut_update_object_reference+0x1ad/0x234
448         acpi_ut_remove_reference+0x7d/0x84
449         acpi_rs_get_prt_method_data+0x97/0xd6
450         acpi_get_irq_routing_table+0x82/0xc4
451         acpi_pci_irq_find_prt_entry+0x8e/0x2e0
452         acpi_pci_irq_lookup+0x3a/0x1e0
453         acpi_pci_irq_enable+0x77/0x240
454         pcibios_enable_device+0x39/0x40
455         do_pci_enable_device.part.0+0x5d/0xe0
456         pci_enable_device_flags+0xfc/0x120
457         pci_enable_device+0x13/0x20
458         virtio_pci_probe+0x9e/0x170
459         local_pci_probe+0x48/0x80
460         pci_device_probe+0x105/0x1c0
461
462 Christoph Lameter, May 30, 2007
463 Sergey Senozhatsky, October 23, 2015