New upstream version 18.05
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 .. _Environment_Abstraction_Layer:
5
6 Environment Abstraction Layer
7 =============================
8
9 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
10 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
11 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
12 (that is, memory space, PCI devices, timers, consoles, and so on).
13
14 Typical services expected from the EAL are:
15
16 *   DPDK Loading and Launching:
17     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
18
19 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
20     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
21
22 *   System Memory Reservation:
23     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
24
25 *   PCI Address Abstraction: The EAL provides an interface to access PCI address space.
26
27 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
28
29 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
30
31 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
32     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
33
34 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
35
36 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
37
38 EAL in a Linux-userland Execution Environment
39 ---------------------------------------------
40
41 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
42 PCI information about devices and address space is discovered through the /sys kernel interface and through kernel modules such as uio_pci_generic, or igb_uio.
43 Refer to the UIO: User-space drivers documentation in the Linux kernel. This memory is mmap'd in the application.
44
45 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
46 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
47
48 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
49 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
50
51 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
52
53 Initialization and Core Launching
54 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
55
56 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
57 A check is also performed at initialization time to ensure that the micro architecture type chosen in the config file is supported by the CPU.
58 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
59 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
60
61 .. _figure_linuxapp_launch:
62
63 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
64
65    EAL Initialization in a Linux Application Environment
66
67
68 .. note::
69
70     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
71     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
72     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
73     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
74
75 Shutdown and Cleanup
76 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
77
78 During the initialization of EAL resources such as hugepage backed memory can be
79 allocated by core components.  The memory allocated during ``rte_eal_init()``
80 can be released by calling the ``rte_eal_cleanup()`` function. Refer to the
81 API documentation for details.
82
83 Multi-process Support
84 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
85
86 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
87 See chapter
88 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
89
90 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
91 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
92
93 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
94 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
95 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
96
97 There are two modes in which DPDK memory subsystem can operate: dynamic mode,
98 and legacy mode. Both modes are explained below.
99
100 .. note::
101
102     Memory reservations done using the APIs provided by rte_malloc are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
103
104 + Dynamic memory mode
105
106 Currently, this mode is only supported on Linux.
107
108 In this mode, usage of hugepages by DPDK application will grow and shrink based
109 on application's requests. Any memory allocation through ``rte_malloc()``,
110 ``rte_memzone_reserve()`` or other methods, can potentially result in more
111 hugepages being reserved from the system. Similarly, any memory deallocation can
112 potentially result in hugepages being released back to the system.
113
114 Memory allocated in this mode is not guaranteed to be IOVA-contiguous. If large
115 chunks of IOVA-contiguous are required (with "large" defined as "more than one
116 page"), it is recommended to either use VFIO driver for all physical devices (so
117 that IOVA and VA addresses can be the same, thereby bypassing physical addresses
118 entirely), or use legacy memory mode.
119
120 For chunks of memory which must be IOVA-contiguous, it is recommended to use
121 ``rte_memzone_reserve()`` function with ``RTE_MEMZONE_IOVA_CONTIG`` flag
122 specified. This way, memory allocator will ensure that, whatever memory mode is
123 in use, either reserved memory will satisfy the requirements, or the allocation
124 will fail.
125
126 There is no need to preallocate any memory at startup using ``-m`` or
127 ``--socket-mem`` command-line parameters, however it is still possible to do so,
128 in which case preallocate memory will be "pinned" (i.e. will never be released
129 by the application back to the system). It will be possible to allocate more
130 hugepages, and deallocate those, but any preallocated pages will not be freed.
131 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, no memory will be
132 preallocated, and all memory will be allocated at runtime, as needed.
133
134 Another available option to use in dynamic memory mode is
135 ``--single-file-segments`` command-line option. This option will put pages in
136 single files (per memseg list), as opposed to creating a file per page. This is
137 normally not needed, but can be useful for use cases like userspace vhost, where
138 there is limited number of page file descriptors that can be passed to VirtIO.
139
140 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to
141 receive notifications about newly allocated memory, it is possible to register
142 for memory event callbacks via ``rte_mem_event_callback_register()`` function.
143 This will call a callback function any time DPDK's memory map has changed.
144
145 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to be
146 notified about memory allocations above specified threshold (and have a chance
147 to deny them), allocation validator callbacks are also available via
148 ``rte_mem_alloc_validator_callback_register()`` function.
149
150 .. note::
151
152     In multiprocess scenario, all related processes (i.e. primary process, and
153     secondary processes running with the same prefix) must be in the same memory
154     modes. That is, if primary process is run in dynamic memory mode, all of its
155     secondary processes must be run in the same mode. The same is applicable to
156     ``--single-file-segments`` command-line option - both primary and secondary
157     processes must shared this mode.
158
159 + Legacy memory mode
160
161 This mode is enabled by specifying ``--legacy-mem`` command-line switch to the
162 EAL. This switch will have no effect on FreeBSD as FreeBSD only supports
163 legacy mode anyway.
164
165 This mode mimics historical behavior of EAL. That is, EAL will reserve all
166 memory at startup, sort all memory into large IOVA-contiguous chunks, and will
167 not allow acquiring or releasing hugepages from the system at runtime.
168
169 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, the entire available
170 hugepage memory will be preallocated.
171
172 + 32-bit support
173
174 Additional restrictions are present when running in 32-bit mode. In dynamic
175 memory mode, by default maximum of 2 gigabytes of VA space will be preallocated,
176 and all of it will be on master lcore NUMA node unless ``--socket-mem`` flag is
177 used.
178
179 In legacy mode, VA space will only be preallocated for segments that were
180 requested (plus padding, to keep IOVA-contiguousness).
181
182 + Maximum amount of memory
183
184 All possible virtual memory space that can ever be used for hugepage mapping in
185 a DPDK process is preallocated at startup, thereby placing an upper limit on how
186 much memory a DPDK application can have. DPDK memory is stored in segment lists,
187 each segment is strictly one physical page. It is possible to change the amount
188 of virtual memory being preallocated at startup by editing the following config
189 variables:
190
191 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_LISTS`` controls how many segment lists can DPDK have
192 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_LIST`` controls how much megabytes of memory each
193   segment list can address
194 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_LIST`` controls how many segments each segment can
195   have
196 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_TYPE`` controls how many segments each memory type
197   can have (where "type" is defined as "page size + NUMA node" combination)
198 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_TYPE`` controls how much megabytes of memory each
199   memory type can address
200 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB`` places a global maximum on the amount of memory
201   DPDK can reserve
202
203 Normally, these options do not need to be changed.
204
205 .. note::
206
207     Preallocated virtual memory is not to be confused with preallocated hugepage
208     memory! All DPDK processes preallocate virtual memory at startup. Hugepages
209     can later be mapped into that preallocated VA space (if dynamic memory mode
210     is enabled), and can optionally be mapped into it at startup.
211
212 PCI Access
213 ~~~~~~~~~~
214
215 The EAL uses the /sys/bus/pci utilities provided by the kernel to scan the content on the PCI bus.
216 To access PCI memory, a kernel module called uio_pci_generic provides a /dev/uioX device file
217 and resource files in /sys
218 that can be mmap'd to obtain access to PCI address space from the application.
219 The DPDK-specific igb_uio module can also be used for this. Both drivers use the uio kernel feature (userland driver).
220
221 Per-lcore and Shared Variables
222 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
223
224 .. note::
225
226     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
227
228 Shared variables are the default behavior.
229 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
230
231 Logs
232 ~~~~
233
234 A logging API is provided by EAL.
235 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
236 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
237
238 Trace and Debug Functions
239 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
240
241 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
242 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
243 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
244
245 CPU Feature Identification
246 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
247
248 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
249
250 User Space Interrupt Event
251 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
252
253 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
254
255 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
256 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
257 and are called in the host thread asynchronously.
258 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
259
260 .. note::
261
262     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
263     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
264
265
266 + RX Interrupt Event
267
268 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
269 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
270 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
271
272 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
273 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
274 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
275 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
276 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
277
278 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
279 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
280 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
281
282 .. note::
283
284     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
285     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
286     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
287
288 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
289 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
290
291 + Device Removal Event
292
293 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
294 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
295 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
296 still safely use its callbacks.
297
298 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
299 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
300 dedicated interrupt host thread.
301
302 Considering this, it is likely that an application would want to close a
303 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
304 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
305 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
306 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
307
308 Blacklisting
309 ~~~~~~~~~~~~
310
311 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
312 so they are ignored by the DPDK.
313 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
314
315 Misc Functions
316 ~~~~~~~~~~~~~~
317
318 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
319
320 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
321 ------------------------------------------
322
323 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
324 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
325 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a physical page.
326
327 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
328 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
329
330 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
331 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
332 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
333
334 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
335 (by default, they are aligned to cache line size).
336 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
337 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
338
339 Both memsegs and memzones are stored using ``rte_fbarray`` structures. Please
340 refer to *DPDK API Reference* for more information.
341
342
343 Multiple pthread
344 ----------------
345
346 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
347 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
348
349 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
350 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
351 the full capability of the CPU.
352
353 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
354 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
355 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
356
357 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
358
359 EAL pthread and lcore Affinity
360 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
361
362 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
363 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
364 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
365 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
366
367 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
368 The EAL pthread may have affinity to a CPU set, and as such the *_lcore_id* will not be the same as the CPU ID.
369 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
370 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
371
372 The format pattern:
373         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
374
375 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
376
377 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
378
379 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
380
381     ::
382
383         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
384             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
385             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
386             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
387             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
388             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
389             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
390             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
391
392 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
393 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
394
395 non-EAL pthread support
396 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
397
398 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
399 In a non-EAL pthread, the *_lcore_id* is always LCORE_ID_ANY which identifies that it is not an EAL thread with a valid, unique, *_lcore_id*.
400 Some libraries will use an alternative unique ID (e.g. TID), some will not be impacted at all, and some will work but with limitations (e.g. timer and mempool libraries).
401
402 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
403
404 Public Thread API
405 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
406
407 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
408 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
409
410 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
411
412 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
413
414 *       *_socket_id* stores the NUMA node of the CPU set. If the CPUs in CPU set belong to different NUMA node, the *_socket_id* will be set to SOCKET_ID_ANY.
415
416
417 .. _known_issue_label:
418
419 Known Issues
420 ~~~~~~~~~~~~
421
422 + rte_mempool
423
424   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
425   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
426   So for now, when rte_mempool is used with non-EAL pthreads, the put/get operations will bypass the default mempool cache and there is a performance penalty because of this bypass.
427   Only user-owned external caches can be used in a non-EAL context in conjunction with ``rte_mempool_generic_put()`` and ``rte_mempool_generic_get()`` that accept an explicit cache parameter.
428
429 + rte_ring
430
431   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
432   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
433
434   .. note::
435
436     The "non-preemptive" constraint means:
437
438     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
439       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
440       the same ring.
441     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
442       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
443       the same ring.
444
445     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
446     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
447
448   This does not mean it cannot be used, simply, there is a need to narrow down the situation when it is used by multi-pthread on the same core.
449
450   1. It CAN be used for any single-producer or single-consumer situation.
451
452   2. It MAY be used by multi-producer/consumer pthread whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs). User SHOULD be aware of the performance penalty before using it.
453
454   3. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
455
456 + rte_timer
457
458   Running  ``rte_timer_manage()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
459
460 + rte_log
461
462   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
463
464 + misc
465
466   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
467
468 cgroup control
469 ~~~~~~~~~~~~~~
470
471 The following is a simple example of cgroup control usage, there are two pthreads(t0 and t1) doing packet I/O on the same core ($CPU).
472 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
473
474   .. code-block:: console
475
476     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
477     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
478
479     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
480
481     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
482     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
483
484     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
485     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
486
487     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
488     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
489     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
490
491
492 Malloc
493 ------
494
495 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
496
497 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
498 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
499 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
500
501 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
502 processing because they are slower than pool-based allocation and make
503 use of locks within the allocation and free paths.
504 However, they can be used in configuration code.
505
506 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
507 manual for more information.
508
509 Cookies
510 ~~~~~~~
511
512 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
513 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
514
515 Alignment and NUMA Constraints
516 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
517
518 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
519 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
520
521 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
522 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
523 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
524 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
525 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
526 on the one doing the memory allocation.
527
528 Use Cases
529 ~~~~~~~~~
530
531 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
532 functions at initialization time.
533
534 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
535 the memory pool library should be used instead.
536
537 Internal Implementation
538 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
539
540 Data Structures
541 ^^^^^^^^^^^^^^^
542
543 There are two data structure types used internally in the malloc library:
544
545 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
546
547 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
548     tracking inside the library.
549
550 Structure: malloc_heap
551 """"""""""""""""""""""
552
553 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
554 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
555 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
556 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
557 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
558 or random node.
559
560 The key fields of the heap structure and their function are described below
561 (see also diagram above):
562
563 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
564     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
565     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
566
567 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
568     this malloc heap.
569
570 *   first - this points to the first element in the heap.
571
572 *   last - this points to the last element in the heap.
573
574 .. _figure_malloc_heap:
575
576 .. figure:: img/malloc_heap.*
577
578    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
579
580
581 .. _malloc_elem:
582
583 Structure: malloc_elem
584 """"""""""""""""""""""
585
586 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
587 blocks of memory.
588 It is used in two different ways - all shown in the diagram above:
589
590 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
591
592 #.  As a padding header inside a block of memory
593
594 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
595
596 Malloc heap is a doubly-linked list, where each element keeps track of its
597 previous and next elements. Due to the fact that hugepage memory can come and
598 go, neighbouring malloc elements may not necessarily be adjacent in memory.
599 Also, since a malloc element may span multiple pages, its contents may not
600 necessarily be IOVA-contiguous either - each malloc element is only guaranteed
601 to be virtually contiguous.
602
603 .. note::
604
605     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
606     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
607     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
608     fields have valid values.
609
610 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
611     this block was allocated.
612     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
613     newly-freed block to the heap's free-list.
614
615 *   prev - this pointer points to previous header element/block in memory. When
616     freeing a block, this pointer is used to reference the previous block to
617     check if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
618     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
619     larger block.
620
621 *   next - this pointer points to next header element/block in memory. When
622     freeing a block, this pointer is used to reference the next block to check
623     if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
624     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
625     larger block.
626
627 *   free_list - this is a structure pointing to previous and next elements in
628     this heap's free list.
629     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
630     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
631     the free-list.
632
633 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
634     ``PAD``.
635     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
636     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
637     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
638     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
639     constraints.
640     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
641     header for the block.
642
643 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
644     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
645     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
646     value passed back to the application on a malloc.
647     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
648     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
649     actual block header.
650
651 *   size - the size of the data block, including the header itself.
652
653 Memory Allocation
654 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
655
656 On EAL initialization, all preallocated memory segments are setup as part of the
657 malloc heap. This setup involves placing an :ref:`element header<malloc_elem>`
658 with ``FREE`` at the start of each virtually contiguous segment of memory.
659 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
660
661 This setup also happens whenever memory is allocated at runtime (if supported),
662 in which case newly allocated pages are also added to the heap, merging with any
663 adjacent free segments if there are any.
664
665 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
666 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
667 determine the NUMA node of that thread.
668 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
669 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
670 requested size, type, alignment and boundary parameters.
671
672 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
673 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
674 requested alignment and boundary constraints.
675
676 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
677 to the user is calculated.
678 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
679 struct malloc_elem header.
680 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
681 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
682
683 #. Check for trailing space.
684    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
685    is split.
686    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
687
688 #. Check for space at the start of the element.
689    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
690    used, and the remaining space is wasted.
691    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
692
693 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
694 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
695 on the free list just has its size value adjusted, and the next/previous elements
696 have their "prev"/"next" pointers redirected to the newly created element.
697
698 In case when there is not enough memory in the heap to satisfy allocation
699 request, EAL will attempt to allocate more memory from the system (if supported)
700 and, following successful allocation, will retry reserving the memory again. In
701 a multiprocessing scenario, all primary and secondary processes will synchronize
702 their memory maps to ensure that any valid pointer to DPDK memory is guaranteed
703 to be valid at all times in all currently running processes.
704
705 Failure to synchronize memory maps in one of the processes will cause allocation
706 to fail, even though some of the processes may have allocated the memory
707 successfully. The memory is not added to the malloc heap unless primary process
708 has ensured that all other processes have mapped this memory successfully.
709
710 Any successful allocation event will trigger a callback, for which user
711 applications and other DPDK subsystems can register. Additionally, validation
712 callbacks will be triggered before allocation if the newly allocated memory will
713 exceed threshold set by the user, giving a chance to allow or deny allocation.
714
715 .. note::
716
717     Any allocation of new pages has to go through primary process. If the
718     primary process is not active, no memory will be allocated even if it was
719     theoretically possible to do so. This is because primary's process map acts
720     as an authority on what should or should not be mapped, while each secondary
721     process has its own, local memory map. Secondary processes do not update the
722     shared memory map, they only copy its contents to their local memory map.
723
724 Freeing Memory
725 ^^^^^^^^^^^^^^
726
727 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
728 to the free function.
729 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
730 the element header for the block.
731 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
732 the pointer to get the proper element header for the entire block.
733
734 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
735 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
736 and next elements. These next and previous elements are then checked to see if
737 they are also ``FREE`` and are immediately adjacent to the current one, and if
738 so, they are merged with the current element. This means that we can never have
739 two ``FREE`` memory blocks adjacent to one another, as they are always merged
740 into a single block.
741
742 If deallocating pages at runtime is supported, and the free element encloses
743 one or more pages, those pages can be deallocated and be removed from the heap.
744 If DPDK was started with command-line parameters for preallocating memory
745 (``-m`` or ``--socket-mem``), then those pages that were allocated at startup
746 will not be deallocated.
747
748 Any successful deallocation event will trigger a callback, for which user
749 applications and other DPDK subsystems can register.