GNU Linux-libre 6.6.34-gnu
[releases.git] / Documentation / admin-guide / blockdev / zram.rst
1 ========================================
2 zram: Compressed RAM-based block devices
3 ========================================
4
5 Introduction
6 ============
7
8 The zram module creates RAM-based block devices named /dev/zram<id>
9 (<id> = 0, 1, ...). Pages written to these disks are compressed and stored
10 in memory itself. These disks allow very fast I/O and compression provides
11 good amounts of memory savings. Some of the use cases include /tmp storage,
12 use as swap disks, various caches under /var and maybe many more. :)
13
14 Statistics for individual zram devices are exported through sysfs nodes at
15 /sys/block/zram<id>/
16
17 Usage
18 =====
19
20 There are several ways to configure and manage zram device(-s):
21
22 a) using zram and zram_control sysfs attributes
23 b) using zramctl utility, provided by util-linux (util-linux@vger.kernel.org).
24
25 In this document we will describe only 'manual' zram configuration steps,
26 IOW, zram and zram_control sysfs attributes.
27
28 In order to get a better idea about zramctl please consult util-linux
29 documentation, zramctl man-page or `zramctl --help`. Please be informed
30 that zram maintainers do not develop/maintain util-linux or zramctl, should
31 you have any questions please contact util-linux@vger.kernel.org
32
33 Following shows a typical sequence of steps for using zram.
34
35 WARNING
36 =======
37
38 For the sake of simplicity we skip error checking parts in most of the
39 examples below. However, it is your sole responsibility to handle errors.
40
41 zram sysfs attributes always return negative values in case of errors.
42 The list of possible return codes:
43
44 ========  =============================================================
45 -EBUSY    an attempt to modify an attribute that cannot be changed once
46           the device has been initialised. Please reset device first.
47 -ENOMEM   zram was not able to allocate enough memory to fulfil your
48           needs.
49 -EINVAL   invalid input has been provided.
50 ========  =============================================================
51
52 If you use 'echo', the returned value is set by the 'echo' utility,
53 and, in general case, something like::
54
55         echo 3 > /sys/block/zram0/max_comp_streams
56         if [ $? -ne 0 ]; then
57                 handle_error
58         fi
59
60 should suffice.
61
62 1) Load Module
63 ==============
64
65 ::
66
67         modprobe zram num_devices=4
68
69 This creates 4 devices: /dev/zram{0,1,2,3}
70
71 num_devices parameter is optional and tells zram how many devices should be
72 pre-created. Default: 1.
73
74 2) Set max number of compression streams
75 ========================================
76
77 Regardless of the value passed to this attribute, ZRAM will always
78 allocate multiple compression streams - one per online CPU - thus
79 allowing several concurrent compression operations. The number of
80 allocated compression streams goes down when some of the CPUs
81 become offline. There is no single-compression-stream mode anymore,
82 unless you are running a UP system or have only 1 CPU online.
83
84 To find out how many streams are currently available::
85
86         cat /sys/block/zram0/max_comp_streams
87
88 3) Select compression algorithm
89 ===============================
90
91 Using comp_algorithm device attribute one can see available and
92 currently selected (shown in square brackets) compression algorithms,
93 or change the selected compression algorithm (once the device is initialised
94 there is no way to change compression algorithm).
95
96 Examples::
97
98         #show supported compression algorithms
99         cat /sys/block/zram0/comp_algorithm
100         lzo [lz4]
101
102         #select lzo compression algorithm
103         echo lzo > /sys/block/zram0/comp_algorithm
104
105 For the time being, the `comp_algorithm` content does not necessarily
106 show every compression algorithm supported by the kernel. We keep this
107 list primarily to simplify device configuration and one can configure
108 a new device with a compression algorithm that is not listed in
109 `comp_algorithm`. The thing is that, internally, ZRAM uses Crypto API
110 and, if some of the algorithms were built as modules, it's impossible
111 to list all of them using, for instance, /proc/crypto or any other
112 method. This, however, has an advantage of permitting the usage of
113 custom crypto compression modules (implementing S/W or H/W compression).
114
115 4) Set Disksize
116 ===============
117
118 Set disk size by writing the value to sysfs node 'disksize'.
119 The value can be either in bytes or you can use mem suffixes.
120 Examples::
121
122         # Initialize /dev/zram0 with 50MB disksize
123         echo $((50*1024*1024)) > /sys/block/zram0/disksize
124
125         # Using mem suffixes
126         echo 256K > /sys/block/zram0/disksize
127         echo 512M > /sys/block/zram0/disksize
128         echo 1G > /sys/block/zram0/disksize
129
130 Note:
131 There is little point creating a zram of greater than twice the size of memory
132 since we expect a 2:1 compression ratio. Note that zram uses about 0.1% of the
133 size of the disk when not in use so a huge zram is wasteful.
134
135 5) Set memory limit: Optional
136 =============================
137
138 Set memory limit by writing the value to sysfs node 'mem_limit'.
139 The value can be either in bytes or you can use mem suffixes.
140 In addition, you could change the value in runtime.
141 Examples::
142
143         # limit /dev/zram0 with 50MB memory
144         echo $((50*1024*1024)) > /sys/block/zram0/mem_limit
145
146         # Using mem suffixes
147         echo 256K > /sys/block/zram0/mem_limit
148         echo 512M > /sys/block/zram0/mem_limit
149         echo 1G > /sys/block/zram0/mem_limit
150
151         # To disable memory limit
152         echo 0 > /sys/block/zram0/mem_limit
153
154 6) Activate
155 ===========
156
157 ::
158
159         mkswap /dev/zram0
160         swapon /dev/zram0
161
162         mkfs.ext4 /dev/zram1
163         mount /dev/zram1 /tmp
164
165 7) Add/remove zram devices
166 ==========================
167
168 zram provides a control interface, which enables dynamic (on-demand) device
169 addition and removal.
170
171 In order to add a new /dev/zramX device, perform a read operation on the hot_add
172 attribute. This will return either the new device's device id (meaning that you
173 can use /dev/zram<id>) or an error code.
174
175 Example::
176
177         cat /sys/class/zram-control/hot_add
178         1
179
180 To remove the existing /dev/zramX device (where X is a device id)
181 execute::
182
183         echo X > /sys/class/zram-control/hot_remove
184
185 8) Stats
186 ========
187
188 Per-device statistics are exported as various nodes under /sys/block/zram<id>/
189
190 A brief description of exported device attributes follows. For more details
191 please read Documentation/ABI/testing/sysfs-block-zram.
192
193 ======================  ======  ===============================================
194 Name                    access            description
195 ======================  ======  ===============================================
196 disksize                RW      show and set the device's disk size
197 initstate               RO      shows the initialization state of the device
198 reset                   WO      trigger device reset
199 mem_used_max            WO      reset the `mem_used_max` counter (see later)
200 mem_limit               WO      specifies the maximum amount of memory ZRAM can
201                                 use to store the compressed data
202 writeback_limit         WO      specifies the maximum amount of write IO zram
203                                 can write out to backing device as 4KB unit
204 writeback_limit_enable  RW      show and set writeback_limit feature
205 max_comp_streams        RW      the number of possible concurrent compress
206                                 operations
207 comp_algorithm          RW      show and change the compression algorithm
208 compact                 WO      trigger memory compaction
209 debug_stat              RO      this file is used for zram debugging purposes
210 backing_dev             RW      set up backend storage for zram to write out
211 idle                    WO      mark allocated slot as idle
212 ======================  ======  ===============================================
213
214
215 User space is advised to use the following files to read the device statistics.
216
217 File /sys/block/zram<id>/stat
218
219 Represents block layer statistics. Read Documentation/block/stat.rst for
220 details.
221
222 File /sys/block/zram<id>/io_stat
223
224 The stat file represents device's I/O statistics not accounted by block
225 layer and, thus, not available in zram<id>/stat file. It consists of a
226 single line of text and contains the following stats separated by
227 whitespace:
228
229  =============    =============================================================
230  failed_reads     The number of failed reads
231  failed_writes    The number of failed writes
232  invalid_io       The number of non-page-size-aligned I/O requests
233  notify_free      Depending on device usage scenario it may account
234
235                   a) the number of pages freed because of swap slot free
236                      notifications
237                   b) the number of pages freed because of
238                      REQ_OP_DISCARD requests sent by bio. The former ones are
239                      sent to a swap block device when a swap slot is freed,
240                      which implies that this disk is being used as a swap disk.
241
242                   The latter ones are sent by filesystem mounted with
243                   discard option, whenever some data blocks are getting
244                   discarded.
245  =============    =============================================================
246
247 File /sys/block/zram<id>/mm_stat
248
249 The mm_stat file represents the device's mm statistics. It consists of a single
250 line of text and contains the following stats separated by whitespace:
251
252  ================ =============================================================
253  orig_data_size   uncompressed size of data stored in this disk.
254                   Unit: bytes
255  compr_data_size  compressed size of data stored in this disk
256  mem_used_total   the amount of memory allocated for this disk. This
257                   includes allocator fragmentation and metadata overhead,
258                   allocated for this disk. So, allocator space efficiency
259                   can be calculated using compr_data_size and this statistic.
260                   Unit: bytes
261  mem_limit        the maximum amount of memory ZRAM can use to store
262                   the compressed data
263  mem_used_max     the maximum amount of memory zram has consumed to
264                   store the data
265  same_pages       the number of same element filled pages written to this disk.
266                   No memory is allocated for such pages.
267  pages_compacted  the number of pages freed during compaction
268  huge_pages       the number of incompressible pages
269  huge_pages_since the number of incompressible pages since zram set up
270  ================ =============================================================
271
272 File /sys/block/zram<id>/bd_stat
273
274 The bd_stat file represents a device's backing device statistics. It consists of
275 a single line of text and contains the following stats separated by whitespace:
276
277  ============== =============================================================
278  bd_count       size of data written in backing device.
279                 Unit: 4K bytes
280  bd_reads       the number of reads from backing device
281                 Unit: 4K bytes
282  bd_writes      the number of writes to backing device
283                 Unit: 4K bytes
284  ============== =============================================================
285
286 9) Deactivate
287 =============
288
289 ::
290
291         swapoff /dev/zram0
292         umount /dev/zram1
293
294 10) Reset
295 =========
296
297         Write any positive value to 'reset' sysfs node::
298
299                 echo 1 > /sys/block/zram0/reset
300                 echo 1 > /sys/block/zram1/reset
301
302         This frees all the memory allocated for the given device and
303         resets the disksize to zero. You must set the disksize again
304         before reusing the device.
305
306 Optional Feature
307 ================
308
309 writeback
310 ---------
311
312 With CONFIG_ZRAM_WRITEBACK, zram can write idle/incompressible page
313 to backing storage rather than keeping it in memory.
314 To use the feature, admin should set up backing device via::
315
316         echo /dev/sda5 > /sys/block/zramX/backing_dev
317
318 before disksize setting. It supports only partitions at this moment.
319 If admin wants to use incompressible page writeback, they could do it via::
320
321         echo huge > /sys/block/zramX/writeback
322
323 To use idle page writeback, first, user need to declare zram pages
324 as idle::
325
326         echo all > /sys/block/zramX/idle
327
328 From now on, any pages on zram are idle pages. The idle mark
329 will be removed until someone requests access of the block.
330 IOW, unless there is access request, those pages are still idle pages.
331 Additionally, when CONFIG_ZRAM_MEMORY_TRACKING is enabled pages can be
332 marked as idle based on how long (in seconds) it's been since they were
333 last accessed::
334
335         echo 86400 > /sys/block/zramX/idle
336
337 In this example all pages which haven't been accessed in more than 86400
338 seconds (one day) will be marked idle.
339
340 Admin can request writeback of those idle pages at right timing via::
341
342         echo idle > /sys/block/zramX/writeback
343
344 With the command, zram will writeback idle pages from memory to the storage.
345
346 Additionally, if a user choose to writeback only huge and idle pages
347 this can be accomplished with::
348
349         echo huge_idle > /sys/block/zramX/writeback
350
351 If a user chooses to writeback only incompressible pages (pages that none of
352 algorithms can compress) this can be accomplished with::
353
354         echo incompressible > /sys/block/zramX/writeback
355
356 If an admin wants to write a specific page in zram device to the backing device,
357 they could write a page index into the interface::
358
359         echo "page_index=1251" > /sys/block/zramX/writeback
360
361 If there are lots of write IO with flash device, potentially, it has
362 flash wearout problem so that admin needs to design write limitation
363 to guarantee storage health for entire product life.
364
365 To overcome the concern, zram supports "writeback_limit" feature.
366 The "writeback_limit_enable"'s default value is 0 so that it doesn't limit
367 any writeback. IOW, if admin wants to apply writeback budget, they should
368 enable writeback_limit_enable via::
369
370         $ echo 1 > /sys/block/zramX/writeback_limit_enable
371
372 Once writeback_limit_enable is set, zram doesn't allow any writeback
373 until admin sets the budget via /sys/block/zramX/writeback_limit.
374
375 (If admin doesn't enable writeback_limit_enable, writeback_limit's value
376 assigned via /sys/block/zramX/writeback_limit is meaningless.)
377
378 If admin wants to limit writeback as per-day 400M, they could do it
379 like below::
380
381         $ MB_SHIFT=20
382         $ 4K_SHIFT=12
383         $ echo $((400<<MB_SHIFT>>4K_SHIFT)) > \
384                 /sys/block/zram0/writeback_limit.
385         $ echo 1 > /sys/block/zram0/writeback_limit_enable
386
387 If admins want to allow further write again once the budget is exhausted,
388 they could do it like below::
389
390         $ echo $((400<<MB_SHIFT>>4K_SHIFT)) > \
391                 /sys/block/zram0/writeback_limit
392
393 If an admin wants to see the remaining writeback budget since last set::
394
395         $ cat /sys/block/zramX/writeback_limit
396
397 If an admin wants to disable writeback limit, they could do::
398
399         $ echo 0 > /sys/block/zramX/writeback_limit_enable
400
401 The writeback_limit count will reset whenever you reset zram (e.g.,
402 system reboot, echo 1 > /sys/block/zramX/reset) so keeping how many of
403 writeback happened until you reset the zram to allocate extra writeback
404 budget in next setting is user's job.
405
406 If admin wants to measure writeback count in a certain period, they could
407 know it via /sys/block/zram0/bd_stat's 3rd column.
408
409 recompression
410 -------------
411
412 With CONFIG_ZRAM_MULTI_COMP, zram can recompress pages using alternative
413 (secondary) compression algorithms. The basic idea is that alternative
414 compression algorithm can provide better compression ratio at a price of
415 (potentially) slower compression/decompression speeds. Alternative compression
416 algorithm can, for example, be more successful compressing huge pages (those
417 that default algorithm failed to compress). Another application is idle pages
418 recompression - pages that are cold and sit in the memory can be recompressed
419 using more effective algorithm and, hence, reduce zsmalloc memory usage.
420
421 With CONFIG_ZRAM_MULTI_COMP, zram supports up to 4 compression algorithms:
422 one primary and up to 3 secondary ones. Primary zram compressor is explained
423 in "3) Select compression algorithm", secondary algorithms are configured
424 using recomp_algorithm device attribute.
425
426 Example:::
427
428         #show supported recompression algorithms
429         cat /sys/block/zramX/recomp_algorithm
430         #1: lzo lzo-rle lz4 lz4hc [zstd]
431         #2: lzo lzo-rle lz4 [lz4hc] zstd
432
433 Alternative compression algorithms are sorted by priority. In the example
434 above, zstd is used as the first alternative algorithm, which has priority
435 of 1, while lz4hc is configured as a compression algorithm with priority 2.
436 Alternative compression algorithm's priority is provided during algorithms
437 configuration:::
438
439         #select zstd recompression algorithm, priority 1
440         echo "algo=zstd priority=1" > /sys/block/zramX/recomp_algorithm
441
442         #select deflate recompression algorithm, priority 2
443         echo "algo=deflate priority=2" > /sys/block/zramX/recomp_algorithm
444
445 Another device attribute that CONFIG_ZRAM_MULTI_COMP enables is recompress,
446 which controls recompression.
447
448 Examples:::
449
450         #IDLE pages recompression is activated by `idle` mode
451         echo "type=idle" > /sys/block/zramX/recompress
452
453         #HUGE pages recompression is activated by `huge` mode
454         echo "type=huge" > /sys/block/zram0/recompress
455
456         #HUGE_IDLE pages recompression is activated by `huge_idle` mode
457         echo "type=huge_idle" > /sys/block/zramX/recompress
458
459 The number of idle pages can be significant, so user-space can pass a size
460 threshold (in bytes) to the recompress knob: zram will recompress only pages
461 of equal or greater size:::
462
463         #recompress all pages larger than 3000 bytes
464         echo "threshold=3000" > /sys/block/zramX/recompress
465
466         #recompress idle pages larger than 2000 bytes
467         echo "type=idle threshold=2000" > /sys/block/zramX/recompress
468
469 Recompression of idle pages requires memory tracking.
470
471 During re-compression for every page, that matches re-compression criteria,
472 ZRAM iterates the list of registered alternative compression algorithms in
473 order of their priorities. ZRAM stops either when re-compression was
474 successful (re-compressed object is smaller in size than the original one)
475 and matches re-compression criteria (e.g. size threshold) or when there are
476 no secondary algorithms left to try. If none of the secondary algorithms can
477 successfully re-compressed the page such a page is marked as incompressible,
478 so ZRAM will not attempt to re-compress it in the future.
479
480 This re-compression behaviour, when it iterates through the list of
481 registered compression algorithms, increases our chances of finding the
482 algorithm that successfully compresses a particular page. Sometimes, however,
483 it is convenient (and sometimes even necessary) to limit recompression to
484 only one particular algorithm so that it will not try any other algorithms.
485 This can be achieved by providing a algo=NAME parameter:::
486
487         #use zstd algorithm only (if registered)
488         echo "type=huge algo=zstd" > /sys/block/zramX/recompress
489
490 memory tracking
491 ===============
492
493 With CONFIG_ZRAM_MEMORY_TRACKING, user can know information of the
494 zram block. It could be useful to catch cold or incompressible
495 pages of the process with*pagemap.
496
497 If you enable the feature, you could see block state via
498 /sys/kernel/debug/zram/zram0/block_state". The output is as follows::
499
500           300    75.033841 .wh...
501           301    63.806904 s.....
502           302    63.806919 ..hi..
503           303    62.801919 ....r.
504           304   146.781902 ..hi.n
505
506 First column
507         zram's block index.
508 Second column
509         access time since the system was booted
510 Third column
511         state of the block:
512
513         s:
514                 same page
515         w:
516                 written page to backing store
517         h:
518                 huge page
519         i:
520                 idle page
521         r:
522                 recompressed page (secondary compression algorithm)
523         n:
524                 none (including secondary) of algorithms could compress it
525
526 First line of above example says 300th block is accessed at 75.033841sec
527 and the block's state is huge so it is written back to the backing
528 storage. It's a debugging feature so anyone shouldn't rely on it to work
529 properly.
530
531 Nitin Gupta
532 ngupta@vflare.org