Documentation/networking/page_pool.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 =============
   4 Page Pool API
   5 =============
   6
   7 The page_pool allocator is optimized for the XDP mode that uses one frame
   8 per-page, but it can fallback on the regular page allocator APIs.
   9
  10 Basic use involves replacing alloc_pages() calls with the
  11 page_pool_alloc_pages() call.  Drivers should use page_pool_dev_alloc_pages()
  12 replacing dev_alloc_pages().
  13
  14 API keeps track of in-flight pages, in order to let API user know
  15 when it is safe to free a page_pool object.  Thus, API users
  16 must run page_pool_release_page() when a page is leaving the page_pool or
  17 call page_pool_put_page() where appropriate in order to maintain correct
  18 accounting.
  19
  20 API user must call page_pool_put_page() once on a page, as it
  21 will either recycle the page, or in case of refcnt > 1, it will
  22 release the DMA mapping and in-flight state accounting.
  23
  24 Architecture overview
  25 =====================
  26
  27 .. code-block:: none
  28
  29     +------------------+
  30     |       Driver     |
  31     +------------------+
  32             ^
  33             |
  34             |
  35             |
  36             v
  37     +--------------------------------------------+
  38     |                request memory              |
  39     +--------------------------------------------+
  40         ^                                  ^
  41         |                                  |
  42         | Pool empty                       | Pool has entries
  43         |                                  |
  44         v                                  v
  45     +-----------------------+     +------------------------+
  46     | alloc (and map) pages |     |  get page from cache   |
  47     +-----------------------+     +------------------------+
  48                                     ^                    ^
  49                                     |                    |
  50                                     | cache available    | No entries, refill
  51                                     |                    | from ptr-ring
  52                                     |                    |
  53                                     v                    v
  54                           +-----------------+     +------------------+
  55                           |   Fast cache    |     |  ptr-ring cache  |
  56                           +-----------------+     +------------------+
  57
  58 API interface
  59 =============
  60 The number of pools created **must** match the number of hardware queues
  61 unless hardware restrictions make that impossible. This would otherwise beat the
  62 purpose of page pool, which is allocate pages fast from cache without locking.
  63 This lockless guarantee naturally comes from running under a NAPI softirq.
  64 The protection doesn't strictly have to be NAPI, any guarantee that allocating
  65 a page will cause no race conditions is enough.
  66
  67 * page_pool_create(): Create a pool.
  68     * flags:      PP_FLAG_DMA_MAP, PP_FLAG_DMA_SYNC_DEV
  69     * order:      2^order pages on allocation
  70     * pool_size:  size of the ptr_ring
  71     * nid:        preferred NUMA node for allocation
  72     * dev:        struct device. Used on DMA operations
  73     * dma_dir:    DMA direction
  74     * max_len:    max DMA sync memory size
  75     * offset:     DMA address offset
  76
  77 * page_pool_put_page(): The outcome of this depends on the page refcnt. If the
  78   driver bumps the refcnt > 1 this will unmap the page. If the page refcnt is 1
  79   the allocator owns the page and will try to recycle it in one of the pool
  80   caches. If PP_FLAG_DMA_SYNC_DEV is set, the page will be synced for_device
  81   using dma_sync_single_range_for_device().
  82
  83 * page_pool_put_full_page(): Similar to page_pool_put_page(), but will DMA sync
  84   for the entire memory area configured in area pool->max_len.
  85
  86 * page_pool_recycle_direct(): Similar to page_pool_put_full_page() but caller
  87   must guarantee safe context (e.g NAPI), since it will recycle the page
  88   directly into the pool fast cache.
  89
  90 * page_pool_release_page(): Unmap the page (if mapped) and account for it on
  91   in-flight counters.
  92
  93 * page_pool_dev_alloc_pages(): Get a page from the page allocator or page_pool
  94   caches.
  95
  96 * page_pool_get_dma_addr(): Retrieve the stored DMA address.
  97
  98 * page_pool_get_dma_dir(): Retrieve the stored DMA direction.
  99
 100 * page_pool_put_page_bulk(): Tries to refill a number of pages into the
 101   ptr_ring cache holding ptr_ring producer lock. If the ptr_ring is full,
 102   page_pool_put_page_bulk() will release leftover pages to the page allocator.
 103   page_pool_put_page_bulk() is suitable to be run inside the driver NAPI tx
 104   completion loop for the XDP_REDIRECT use case.
 105   Please note the caller must not use data area after running
 106   page_pool_put_page_bulk(), as this function overwrites it.
 107
 108 * page_pool_get_stats(): Retrieve statistics about the page_pool. This API
 109   is only available if the kernel has been configured with
 110   ``CONFIG_PAGE_POOL_STATS=y``. A pointer to a caller allocated ``struct
 111   page_pool_stats`` structure is passed to this API which is filled in. The
 112   caller can then report those stats to the user (perhaps via ethtool,
 113   debugfs, etc.). See below for an example usage of this API.
 114
 115 Stats API and structures
 116 ------------------------
 117 If the kernel is configured with ``CONFIG_PAGE_POOL_STATS=y``, the API
 118 ``page_pool_get_stats()`` and structures described below are available. It
 119 takes a  pointer to a ``struct page_pool`` and a pointer to a ``struct
 120 page_pool_stats`` allocated by the caller.
 121
 122 The API will fill in the provided ``struct page_pool_stats`` with
 123 statistics about the page_pool.
 124
 125 The stats structure has the following fields::
 126
 127     struct page_pool_stats {
 128         struct page_pool_alloc_stats alloc_stats;
 129         struct page_pool_recycle_stats recycle_stats;
 130     };
 131
 132
 133 The ``struct page_pool_alloc_stats`` has the following fields:
 134   * ``fast``: successful fast path allocations
 135   * ``slow``: slow path order-0 allocations
 136   * ``slow_high_order``: slow path high order allocations
 137   * ``empty``: ptr ring is empty, so a slow path allocation was forced.
 138   * ``refill``: an allocation which triggered a refill of the cache
 139   * ``waive``: pages obtained from the ptr ring that cannot be added to
 140     the cache due to a NUMA mismatch.
 141
 142 The ``struct page_pool_recycle_stats`` has the following fields:
 143   * ``cached``: recycling placed page in the page pool cache
 144   * ``cache_full``: page pool cache was full
 145   * ``ring``: page placed into the ptr ring
 146   * ``ring_full``: page released from page pool because the ptr ring was full
 147   * ``released_refcnt``: page released (and not recycled) because refcnt > 1
 148
 149 Coding examples
 150 ===============
 151
 152 Registration
 153 ------------
 154
 155 .. code-block:: c
 156
 157     /* Page pool registration */
 158     struct page_pool_params pp_params = { 0 };
 159     struct xdp_rxq_info xdp_rxq;
 160     int err;
 161
 162     pp_params.order = 0;
 163     /* internal DMA mapping in page_pool */
 164     pp_params.flags = PP_FLAG_DMA_MAP;
 165     pp_params.pool_size = DESC_NUM;
 166     pp_params.nid = NUMA_NO_NODE;
 167     pp_params.dev = priv->dev;
 168     pp_params.napi = napi; /* only if locking is tied to NAPI */
 169     pp_params.dma_dir = xdp_prog ? DMA_BIDIRECTIONAL : DMA_FROM_DEVICE;
 170     page_pool = page_pool_create(&pp_params);
 171
 172     err = xdp_rxq_info_reg(&xdp_rxq, ndev, 0);
 173     if (err)
 174         goto err_out;
 175
 176     err = xdp_rxq_info_reg_mem_model(&xdp_rxq, MEM_TYPE_PAGE_POOL, page_pool);
 177     if (err)
 178         goto err_out;
 179
 180 NAPI poller
 181 -----------
 182
 183
 184 .. code-block:: c
 185
 186     /* NAPI Rx poller */
 187     enum dma_data_direction dma_dir;
 188
 189     dma_dir = page_pool_get_dma_dir(dring->page_pool);
 190     while (done < budget) {
 191         if (some error)
 192             page_pool_recycle_direct(page_pool, page);
 193         if (packet_is_xdp) {
 194             if XDP_DROP:
 195                 page_pool_recycle_direct(page_pool, page);
 196         } else (packet_is_skb) {
 197             page_pool_release_page(page_pool, page);
 198             new_page = page_pool_dev_alloc_pages(page_pool);
 199         }
 200     }
 201
 202 Stats
 203 -----
 204
 205 .. code-block:: c
 206
 207         #ifdef CONFIG_PAGE_POOL_STATS
 208         /* retrieve stats */
 209         struct page_pool_stats stats = { 0 };
 210         if (page_pool_get_stats(page_pool, &stats)) {
 211                 /* perhaps the driver reports statistics with ethool */
 212                 ethtool_print_allocation_stats(&stats.alloc_stats);
 213                 ethtool_print_recycle_stats(&stats.recycle_stats);
 214         }
 215         #endif
 216
 217 Driver unload
 218 -------------
 219
 220 .. code-block:: c
 221
 222     /* Driver unload */
 223     page_pool_put_full_page(page_pool, page, false);
 224     xdp_rxq_info_unreg(&xdp_rxq);