Documentation/mm/highmem.rst

   1 .. _highmem:
   2
   3 ====================
   4 High Memory Handling
   5 ====================
   6
   7 By: Peter Zijlstra <a.p.zijlstra@chello.nl>
   8
   9 .. contents:: :local:
  10
  11 What Is High Memory?
  12 ====================
  13
  14 High memory (highmem) is used when the size of physical memory approaches or
  15 exceeds the maximum size of virtual memory.  At that point it becomes
  16 impossible for the kernel to keep all of the available physical memory mapped
  17 at all times.  This means the kernel needs to start using temporary mappings of
  18 the pieces of physical memory that it wants to access.
  19
  20 The part of (physical) memory not covered by a permanent mapping is what we
  21 refer to as 'highmem'.  There are various architecture dependent constraints on
  22 where exactly that border lies.
  23
  24 In the i386 arch, for example, we choose to map the kernel into every process's
  25 VM space so that we don't have to pay the full TLB invalidation costs for
  26 kernel entry/exit.  This means the available virtual memory space (4GiB on
  27 i386) has to be divided between user and kernel space.
  28
  29 The traditional split for architectures using this approach is 3:1, 3GiB for
  30 userspace and the top 1GiB for kernel space::
  31
  32                 +--------+ 0xffffffff
  33                 | Kernel |
  34                 +--------+ 0xc0000000
  35                 |        |
  36                 | User   |
  37                 |        |
  38                 +--------+ 0x00000000
  39
  40 This means that the kernel can at most map 1GiB of physical memory at any one
  41 time, but because we need virtual address space for other things - including
  42 temporary maps to access the rest of the physical memory - the actual direct
  43 map will typically be less (usually around ~896MiB).
  44
  45 Other architectures that have mm context tagged TLBs can have separate kernel
  46 and user maps.  Some hardware (like some ARMs), however, have limited virtual
  47 space when they use mm context tags.
  48
  49
  50 Temporary Virtual Mappings
  51 ==========================
  52
  53 The kernel contains several ways of creating temporary mappings. The following
  54 list shows them in order of preference of use.
  55
  56 * kmap_local_page().  This function is used to require short term mappings.
  57   It can be invoked from any context (including interrupts) but the mappings
  58   can only be used in the context which acquired them.
  59
  60   This function should be preferred, where feasible, over all the others.
  61
  62   These mappings are thread-local and CPU-local, meaning that the mapping
  63   can only be accessed from within this thread and the thread is bound to the
  64   CPU while the mapping is active. Although preemption is never disabled by
  65   this function, the CPU can not be unplugged from the system via
  66   CPU-hotplug until the mapping is disposed.
  67
  68   It's valid to take pagefaults in a local kmap region, unless the context
  69   in which the local mapping is acquired does not allow it for other reasons.
  70
  71   As said, pagefaults and preemption are never disabled. There is no need to
  72   disable preemption because, when context switches to a different task, the
  73   maps of the outgoing task are saved and those of the incoming one are
  74   restored.
  75
  76   kmap_local_page() always returns a valid virtual address and it is assumed
  77   that kunmap_local() will never fail.
  78
  79   On CONFIG_HIGHMEM=n kernels and for low memory pages this returns the
  80   virtual address of the direct mapping. Only real highmem pages are
  81   temporarily mapped. Therefore, users may call a plain page_address()
  82   for pages which are known to not come from ZONE_HIGHMEM. However, it is
  83   always safe to use kmap_local_page() / kunmap_local().
  84
  85   While it is significantly faster than kmap(), for the higmem case it
  86   comes with restrictions about the pointers validity. Contrary to kmap()
  87   mappings, the local mappings are only valid in the context of the caller
  88   and cannot be handed to other contexts. This implies that users must
  89   be absolutely sure to keep the use of the return address local to the
  90   thread which mapped it.
  91
  92   Most code can be designed to use thread local mappings. User should
  93   therefore try to design their code to avoid the use of kmap() by mapping
  94   pages in the same thread the address will be used and prefer
  95   kmap_local_page().
  96
  97   Nesting kmap_local_page() and kmap_atomic() mappings is allowed to a certain
  98   extent (up to KMAP_TYPE_NR) but their invocations have to be strictly ordered
  99   because the map implementation is stack based. See kmap_local_page() kdocs
 100   (included in the "Functions" section) for details on how to manage nested
 101   mappings.
 102
 103 * kmap_atomic().  This permits a very short duration mapping of a single
 104   page.  Since the mapping is restricted to the CPU that issued it, it
 105   performs well, but the issuing task is therefore required to stay on that
 106   CPU until it has finished, lest some other task displace its mappings.
 107
 108   kmap_atomic() may also be used by interrupt contexts, since it does not
 109   sleep and the callers too may not sleep until after kunmap_atomic() is
 110   called.
 111
 112   Each call of kmap_atomic() in the kernel creates a non-preemptible section
 113   and disable pagefaults. This could be a source of unwanted latency. Therefore
 114   users should prefer kmap_local_page() instead of kmap_atomic().
 115
 116   It is assumed that k[un]map_atomic() won't fail.
 117
 118 * kmap().  This should be used to make short duration mapping of a single
 119   page with no restrictions on preemption or migration. It comes with an
 120   overhead as mapping space is restricted and protected by a global lock
 121   for synchronization. When mapping is no longer needed, the address that
 122   the page was mapped to must be released with kunmap().
 123
 124   Mapping changes must be propagated across all the CPUs. kmap() also
 125   requires global TLB invalidation when the kmap's pool wraps and it might
 126   block when the mapping space is fully utilized until a slot becomes
 127   available. Therefore, kmap() is only callable from preemptible context.
 128
 129   All the above work is necessary if a mapping must last for a relatively
 130   long time but the bulk of high-memory mappings in the kernel are
 131   short-lived and only used in one place. This means that the cost of
 132   kmap() is mostly wasted in such cases. kmap() was not intended for long
 133   term mappings but it has morphed in that direction and its use is
 134   strongly discouraged in newer code and the set of the preceding functions
 135   should be preferred.
 136
 137   On 64-bit systems, calls to kmap_local_page(), kmap_atomic() and kmap() have
 138   no real work to do because a 64-bit address space is more than sufficient to
 139   address all the physical memory whose pages are permanently mapped.
 140
 141 * vmap().  This can be used to make a long duration mapping of multiple
 142   physical pages into a contiguous virtual space.  It needs global
 143   synchronization to unmap.
 144
 145
 146 Cost of Temporary Mappings
 147 ==========================
 148
 149 The cost of creating temporary mappings can be quite high.  The arch has to
 150 manipulate the kernel's page tables, the data TLB and/or the MMU's registers.
 151
 152 If CONFIG_HIGHMEM is not set, then the kernel will try and create a mapping
 153 simply with a bit of arithmetic that will convert the page struct address into
 154 a pointer to the page contents rather than juggling mappings about.  In such a
 155 case, the unmap operation may be a null operation.
 156
 157 If CONFIG_MMU is not set, then there can be no temporary mappings and no
 158 highmem.  In such a case, the arithmetic approach will also be used.
 159
 160
 161 i386 PAE
 162 ========
 163
 164 The i386 arch, under some circumstances, will permit you to stick up to 64GiB
 165 of RAM into your 32-bit machine.  This has a number of consequences:
 166
 167 * Linux needs a page-frame structure for each page in the system and the
 168   pageframes need to live in the permanent mapping, which means:
 169
 170 * you can have 896M/sizeof(struct page) page-frames at most; with struct
 171   page being 32-bytes that would end up being something in the order of 112G
 172   worth of pages; the kernel, however, needs to store more than just
 173   page-frames in that memory...
 174
 175 * PAE makes your page tables larger - which slows the system down as more
 176   data has to be accessed to traverse in TLB fills and the like.  One
 177   advantage is that PAE has more PTE bits and can provide advanced features
 178   like NX and PAT.
 179
 180 The general recommendation is that you don't use more than 8GiB on a 32-bit
 181 machine - although more might work for you and your workload, you're pretty
 182 much on your own - don't expect kernel developers to really care much if things
 183 come apart.
 184
 185
 186 Functions
 187 =========
 188
 189 .. kernel-doc:: include/linux/highmem.h
 190 .. kernel-doc:: include/linux/highmem-internal.h