Documentation/vm/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 the
  64   CPU while the mapping is active. Even if the thread is preempted (since
  65   preemption is never disabled by the function) the CPU can not be
  66   unplugged from the system via 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   kmap_local_page() always returns a valid virtual address and it is assumed
  72   that kunmap_local() will never fail.
  73
  74   Nesting kmap_local_page() and kmap_atomic() mappings is allowed to a certain
  75   extent (up to KMAP_TYPE_NR) but their invocations have to be strictly ordered
  76   because the map implementation is stack based. See kmap_local_page() kdocs
  77   (included in the "Functions" section) for details on how to manage nested
  78   mappings.
  79
  80 * kmap_atomic().  This permits a very short duration mapping of a single
  81   page.  Since the mapping is restricted to the CPU that issued it, it
  82   performs well, but the issuing task is therefore required to stay on that
  83   CPU until it has finished, lest some other task displace its mappings.
  84
  85   kmap_atomic() may also be used by interrupt contexts, since it does not
  86   sleep and the callers too may not sleep until after kunmap_atomic() is
  87   called.
  88
  89   Each call of kmap_atomic() in the kernel creates a non-preemptible section
  90   and disable pagefaults. This could be a source of unwanted latency. Therefore
  91   users should prefer kmap_local_page() instead of kmap_atomic().
  92
  93   It is assumed that k[un]map_atomic() won't fail.
  94
  95 * kmap().  This should be used to make short duration mapping of a single
  96   page with no restrictions on preemption or migration. It comes with an
  97   overhead as mapping space is restricted and protected by a global lock
  98   for synchronization. When mapping is no longer needed, the address that
  99   the page was mapped to must be released with kunmap().
 100
 101   Mapping changes must be propagated across all the CPUs. kmap() also
 102   requires global TLB invalidation when the kmap's pool wraps and it might
 103   block when the mapping space is fully utilized until a slot becomes
 104   available. Therefore, kmap() is only callable from preemptible context.
 105
 106   All the above work is necessary if a mapping must last for a relatively
 107   long time but the bulk of high-memory mappings in the kernel are
 108   short-lived and only used in one place. This means that the cost of
 109   kmap() is mostly wasted in such cases. kmap() was not intended for long
 110   term mappings but it has morphed in that direction and its use is
 111   strongly discouraged in newer code and the set of the preceding functions
 112   should be preferred.
 113
 114   On 64-bit systems, calls to kmap_local_page(), kmap_atomic() and kmap() have
 115   no real work to do because a 64-bit address space is more than sufficient to
 116   address all the physical memory whose pages are permanently mapped.
 117
 118 * vmap().  This can be used to make a long duration mapping of multiple
 119   physical pages into a contiguous virtual space.  It needs global
 120   synchronization to unmap.
 121
 122
 123 Cost of Temporary Mappings
 124 ==========================
 125
 126 The cost of creating temporary mappings can be quite high.  The arch has to
 127 manipulate the kernel's page tables, the data TLB and/or the MMU's registers.
 128
 129 If CONFIG_HIGHMEM is not set, then the kernel will try and create a mapping
 130 simply with a bit of arithmetic that will convert the page struct address into
 131 a pointer to the page contents rather than juggling mappings about.  In such a
 132 case, the unmap operation may be a null operation.
 133
 134 If CONFIG_MMU is not set, then there can be no temporary mappings and no
 135 highmem.  In such a case, the arithmetic approach will also be used.
 136
 137
 138 i386 PAE
 139 ========
 140
 141 The i386 arch, under some circumstances, will permit you to stick up to 64GiB
 142 of RAM into your 32-bit machine.  This has a number of consequences:
 143
 144 * Linux needs a page-frame structure for each page in the system and the
 145   pageframes need to live in the permanent mapping, which means:
 146
 147 * you can have 896M/sizeof(struct page) page-frames at most; with struct
 148   page being 32-bytes that would end up being something in the order of 112G
 149   worth of pages; the kernel, however, needs to store more than just
 150   page-frames in that memory...
 151
 152 * PAE makes your page tables larger - which slows the system down as more
 153   data has to be accessed to traverse in TLB fills and the like.  One
 154   advantage is that PAE has more PTE bits and can provide advanced features
 155   like NX and PAT.
 156
 157 The general recommendation is that you don't use more than 8GiB on a 32-bit
 158 machine - although more might work for you and your workload, you're pretty
 159 much on your own - don't expect kernel developers to really care much if things
 160 come apart.
 161
 162
 163 Functions
 164 =========
 165
 166 .. kernel-doc:: include/linux/highmem.h
 167 .. kernel-doc:: include/linux/highmem-internal.h