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