New upstream version 18.11.2
[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, 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 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
26
27 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
28
29 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
30     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
31
32 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
33
34 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
35
36 EAL in a Linux-userland Execution Environment
37 ---------------------------------------------
38
39 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
40
41 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
42 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
43
44 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
45 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
46
47 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
48
49 Initialization and Core Launching
50 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
51
52 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
53 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.
54 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
55 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
56
57 .. _figure_linuxapp_launch:
58
59 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
60
61    EAL Initialization in a Linux Application Environment
62
63
64 .. note::
65
66     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
67     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
68     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
69     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
70
71 Shutdown and Cleanup
72 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
73
74 During the initialization of EAL resources such as hugepage backed memory can be
75 allocated by core components.  The memory allocated during ``rte_eal_init()``
76 can be released by calling the ``rte_eal_cleanup()`` function. Refer to the
77 API documentation for details.
78
79 Multi-process Support
80 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
81
82 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
83 See chapter
84 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
85
86 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
87 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
88
89 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
90 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
91 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
92
93 There are two modes in which DPDK memory subsystem can operate: dynamic mode,
94 and legacy mode. Both modes are explained below.
95
96 .. note::
97
98     Memory reservations done using the APIs provided by rte_malloc are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
99
100 + Dynamic memory mode
101
102 Currently, this mode is only supported on Linux.
103
104 In this mode, usage of hugepages by DPDK application will grow and shrink based
105 on application's requests. Any memory allocation through ``rte_malloc()``,
106 ``rte_memzone_reserve()`` or other methods, can potentially result in more
107 hugepages being reserved from the system. Similarly, any memory deallocation can
108 potentially result in hugepages being released back to the system.
109
110 Memory allocated in this mode is not guaranteed to be IOVA-contiguous. If large
111 chunks of IOVA-contiguous are required (with "large" defined as "more than one
112 page"), it is recommended to either use VFIO driver for all physical devices (so
113 that IOVA and VA addresses can be the same, thereby bypassing physical addresses
114 entirely), or use legacy memory mode.
115
116 For chunks of memory which must be IOVA-contiguous, it is recommended to use
117 ``rte_memzone_reserve()`` function with ``RTE_MEMZONE_IOVA_CONTIG`` flag
118 specified. This way, memory allocator will ensure that, whatever memory mode is
119 in use, either reserved memory will satisfy the requirements, or the allocation
120 will fail.
121
122 There is no need to preallocate any memory at startup using ``-m`` or
123 ``--socket-mem`` command-line parameters, however it is still possible to do so,
124 in which case preallocate memory will be "pinned" (i.e. will never be released
125 by the application back to the system). It will be possible to allocate more
126 hugepages, and deallocate those, but any preallocated pages will not be freed.
127 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, no memory will be
128 preallocated, and all memory will be allocated at runtime, as needed.
129
130 Another available option to use in dynamic memory mode is
131 ``--single-file-segments`` command-line option. This option will put pages in
132 single files (per memseg list), as opposed to creating a file per page. This is
133 normally not needed, but can be useful for use cases like userspace vhost, where
134 there is limited number of page file descriptors that can be passed to VirtIO.
135
136 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to
137 receive notifications about newly allocated memory, it is possible to register
138 for memory event callbacks via ``rte_mem_event_callback_register()`` function.
139 This will call a callback function any time DPDK's memory map has changed.
140
141 If the application (or DPDK-internal code, such as device drivers) wishes to be
142 notified about memory allocations above specified threshold (and have a chance
143 to deny them), allocation validator callbacks are also available via
144 ``rte_mem_alloc_validator_callback_register()`` function.
145
146 A default validator callback is provided by EAL, which can be enabled with a
147 ``--socket-limit`` command-line option, for a simple way to limit maximum amount
148 of memory that can be used by DPDK application.
149
150 .. warning::
151     Memory subsystem uses DPDK IPC internally, so memory allocations/callbacks
152     and IPC must not be mixed: it is not safe to allocate/free memory inside
153     memory-related or IPC callbacks, and it is not safe to use IPC inside
154     memory-related callbacks. See chapter
155     :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details about
156     DPDK IPC.
157
158 + Legacy memory mode
159
160 This mode is enabled by specifying ``--legacy-mem`` command-line switch to the
161 EAL. This switch will have no effect on FreeBSD as FreeBSD only supports
162 legacy mode anyway.
163
164 This mode mimics historical behavior of EAL. That is, EAL will reserve all
165 memory at startup, sort all memory into large IOVA-contiguous chunks, and will
166 not allow acquiring or releasing hugepages from the system at runtime.
167
168 If neither ``-m`` nor ``--socket-mem`` were specified, the entire available
169 hugepage memory will be preallocated.
170
171 + 32-bit support
172
173 Additional restrictions are present when running in 32-bit mode. In dynamic
174 memory mode, by default maximum of 2 gigabytes of VA space will be preallocated,
175 and all of it will be on master lcore NUMA node unless ``--socket-mem`` flag is
176 used.
177
178 In legacy mode, VA space will only be preallocated for segments that were
179 requested (plus padding, to keep IOVA-contiguousness).
180
181 + Maximum amount of memory
182
183 All possible virtual memory space that can ever be used for hugepage mapping in
184 a DPDK process is preallocated at startup, thereby placing an upper limit on how
185 much memory a DPDK application can have. DPDK memory is stored in segment lists,
186 each segment is strictly one physical page. It is possible to change the amount
187 of virtual memory being preallocated at startup by editing the following config
188 variables:
189
190 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_LISTS`` controls how many segment lists can DPDK have
191 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_LIST`` controls how much megabytes of memory each
192   segment list can address
193 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_LIST`` controls how many segments each segment can
194   have
195 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEMSEG_PER_TYPE`` controls how many segments each memory type
196   can have (where "type" is defined as "page size + NUMA node" combination)
197 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB_PER_TYPE`` controls how much megabytes of memory each
198   memory type can address
199 * ``CONFIG_RTE_MAX_MEM_MB`` places a global maximum on the amount of memory
200   DPDK can reserve
201
202 Normally, these options do not need to be changed.
203
204 .. note::
205
206     Preallocated virtual memory is not to be confused with preallocated hugepage
207     memory! All DPDK processes preallocate virtual memory at startup. Hugepages
208     can later be mapped into that preallocated VA space (if dynamic memory mode
209     is enabled), and can optionally be mapped into it at startup.
210
211 Support for Externally Allocated Memory
212 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
213
214 It is possible to use externally allocated memory in DPDK, using a set of malloc
215 heap API's. Support for externally allocated memory is implemented through
216 overloading the socket ID - externally allocated heaps will have socket ID's
217 that would be considered invalid under normal circumstances. Requesting an
218 allocation to take place from a specified externally allocated memory is a
219 matter of supplying the correct socket ID to DPDK allocator, either directly
220 (e.g. through a call to ``rte_malloc``) or indirectly (through data
221 structure-specific allocation API's such as ``rte_ring_create``).
222
223 Since there is no way DPDK can verify whether memory are is available or valid,
224 this responsibility falls on the shoulders of the user. All multiprocess
225 synchronization is also user's responsibility, as well as ensuring  that all
226 calls to add/attach/detach/remove memory are done in the correct order. It is
227 not required to attach to a memory area in all processes - only attach to memory
228 areas as needed.
229
230 The expected workflow is as follows:
231
232 * Get a pointer to memory area
233 * Create a named heap
234 * Add memory area(s) to the heap
235     - If IOVA table is not specified, IOVA addresses will be assumed to be
236       unavailable, and DMA mappings will not be performed
237     - Other processes must attach to the memory area before they can use it
238 * Get socket ID used for the heap
239 * Use normal DPDK allocation procedures, using supplied socket ID
240 * If memory area is no longer needed, it can be removed from the heap
241     - Other processes must detach from this memory area before it can be removed
242 * If heap is no longer needed, remove it
243     - Socket ID will become invalid and will not be reused
244
245 For more information, please refer to ``rte_malloc`` API documentation,
246 specifically the ``rte_malloc_heap_*`` family of function calls.
247
248 Per-lcore and Shared Variables
249 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
250
251 .. note::
252
253     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
254
255 Shared variables are the default behavior.
256 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
257
258 Logs
259 ~~~~
260
261 A logging API is provided by EAL.
262 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
263 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
264
265 Trace and Debug Functions
266 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
267
268 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
269 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
270 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
271
272 CPU Feature Identification
273 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
274
275 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
276
277 User Space Interrupt Event
278 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
279
280 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
281
282 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
283 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
284 and are called in the host thread asynchronously.
285 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
286
287 .. note::
288
289     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
290     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
291
292
293 + RX Interrupt Event
294
295 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
296 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
297 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
298
299 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
300 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
301 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
302 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
303 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
304
305 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
306 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
307 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
308
309 .. note::
310
311     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
312     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
313     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
314
315 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
316 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
317
318 + Device Removal Event
319
320 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
321 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
322 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
323 still safely use its callbacks.
324
325 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
326 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
327 dedicated interrupt host thread.
328
329 Considering this, it is likely that an application would want to close a
330 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
331 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
332 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
333 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
334
335 Blacklisting
336 ~~~~~~~~~~~~
337
338 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
339 so they are ignored by the DPDK.
340 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
341
342 Misc Functions
343 ~~~~~~~~~~~~~~
344
345 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
346
347 IOVA Mode Configuration
348 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
349
350 Auto detection of the IOVA mode, based on probing the bus and IOMMU configuration, may not report
351 the desired addressing mode when virtual devices that are not directly attached to the bus are present.
352 To facilitate forcing the IOVA mode to a specific value the EAL command line option ``--iova-mode`` can
353 be used to select either physical addressing('pa') or virtual addressing('va').
354
355 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
356 ------------------------------------------
357
358 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
359 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
360 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a physical page.
361
362 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
363 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
364
365 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
366 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
367 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
368
369 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
370 (by default, they are aligned to cache line size).
371 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
372 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
373
374 Both memsegs and memzones are stored using ``rte_fbarray`` structures. Please
375 refer to *DPDK API Reference* for more information.
376
377
378 Multiple pthread
379 ----------------
380
381 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
382 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
383
384 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
385 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
386 the full capability of the CPU.
387
388 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
389 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
390 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
391
392 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
393
394 EAL pthread and lcore Affinity
395 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
396
397 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
398 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
399 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
400 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
401
402 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
403 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.
404 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
405 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
406
407 The format pattern:
408         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
409
410 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
411
412 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
413
414 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
415
416     ::
417
418         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
419             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
420             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
421             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
422             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
423             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
424             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
425             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
426
427 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
428 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
429
430 non-EAL pthread support
431 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
432
433 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
434 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*.
435 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).
436
437 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
438
439 Public Thread API
440 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
441
442 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
443 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
444
445 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
446
447 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
448
449 *       *_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.
450
451
452 Control Thread API
453 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
454
455 It is possible to create Control Threads using the public API
456 ``rte_ctrl_thread_create()``.
457 Those threads can be used for management/infrastructure tasks and are used
458 internally by DPDK for multi process support and interrupt handling.
459
460 Those threads will be scheduled on CPUs part of the original process CPU
461 affinity from which the dataplane and service lcores are excluded.
462
463 For example, on a 8 CPUs system, starting a dpdk application with -l 2,3
464 (dataplane cores), then depending on the affinity configuration which can be
465 controlled with tools like taskset (Linux) or cpuset (FreeBSD),
466
467 - with no affinity configuration, the Control Threads will end up on
468   0-1,4-7 CPUs.
469 - with affinity restricted to 2-4, the Control Threads will end up on
470   CPU 4.
471 - with affinity restricted to 2-3, the Control Threads will end up on
472   CPU 2 (master lcore, which is the default when no CPU is available).
473
474 .. _known_issue_label:
475
476 Known Issues
477 ~~~~~~~~~~~~
478
479 + rte_mempool
480
481   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
482   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
483   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.
484   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.
485
486 + rte_ring
487
488   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
489   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
490
491   .. note::
492
493     The "non-preemptive" constraint means:
494
495     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
496       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
497       the same ring.
498     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
499       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
500       the same ring.
501
502     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
503     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
504
505   This means, use cases involving preemptible pthreads should consider using rte_ring carefully.
506
507   1. It CAN be used for preemptible single-producer and single-consumer use case.
508
509   2. It CAN be used for non-preemptible multi-producer and preemptible single-consumer use case.
510
511   3. It CAN be used for preemptible single-producer and non-preemptible multi-consumer use case.
512
513   4. It MAY be used by preemptible multi-producer and/or preemptible multi-consumer pthreads whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs), SCHED_IDLE or SCHED_BATCH. User SHOULD be aware of the performance penalty before using it.
514
515   5. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
516
517 + rte_timer
518
519   Running  ``rte_timer_manage()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
520
521 + rte_log
522
523   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
524
525 + misc
526
527   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
528
529 cgroup control
530 ~~~~~~~~~~~~~~
531
532 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).
533 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
534
535   .. code-block:: console
536
537     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
538     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
539
540     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
541
542     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
543     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
544
545     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
546     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
547
548     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
549     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
550     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
551
552
553 Malloc
554 ------
555
556 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
557
558 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
559 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
560 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
561
562 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
563 processing because they are slower than pool-based allocation and make
564 use of locks within the allocation and free paths.
565 However, they can be used in configuration code.
566
567 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
568 manual for more information.
569
570 Cookies
571 ~~~~~~~
572
573 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
574 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
575
576 Alignment and NUMA Constraints
577 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
578
579 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
580 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
581
582 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
583 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
584 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
585 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
586 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
587 on the one doing the memory allocation.
588
589 Use Cases
590 ~~~~~~~~~
591
592 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
593 functions at initialization time.
594
595 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
596 the memory pool library should be used instead.
597
598 Internal Implementation
599 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
600
601 Data Structures
602 ^^^^^^^^^^^^^^^
603
604 There are two data structure types used internally in the malloc library:
605
606 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
607
608 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
609     tracking inside the library.
610
611 Structure: malloc_heap
612 """"""""""""""""""""""
613
614 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
615 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
616 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
617 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
618 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
619 or random node.
620
621 The key fields of the heap structure and their function are described below
622 (see also diagram above):
623
624 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
625     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
626     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
627
628 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
629     this malloc heap.
630
631 *   first - this points to the first element in the heap.
632
633 *   last - this points to the last element in the heap.
634
635 .. _figure_malloc_heap:
636
637 .. figure:: img/malloc_heap.*
638
639    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
640
641
642 .. _malloc_elem:
643
644 Structure: malloc_elem
645 """"""""""""""""""""""
646
647 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
648 blocks of memory.
649 It is used in two different ways - all shown in the diagram above:
650
651 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
652
653 #.  As a padding header inside a block of memory
654
655 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
656
657 Malloc heap is a doubly-linked list, where each element keeps track of its
658 previous and next elements. Due to the fact that hugepage memory can come and
659 go, neighboring malloc elements may not necessarily be adjacent in memory.
660 Also, since a malloc element may span multiple pages, its contents may not
661 necessarily be IOVA-contiguous either - each malloc element is only guaranteed
662 to be virtually contiguous.
663
664 .. note::
665
666     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
667     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
668     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
669     fields have valid values.
670
671 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
672     this block was allocated.
673     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
674     newly-freed block to the heap's free-list.
675
676 *   prev - this pointer points to previous header element/block in memory. When
677     freeing a block, this pointer is used to reference the previous block to
678     check if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
679     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
680     larger block.
681
682 *   next - this pointer points to next header element/block in memory. When
683     freeing a block, this pointer is used to reference the next block to check
684     if that block is also free. If so, and the two blocks are immediately
685     adjacent to each other, then the two free blocks are merged to form a single
686     larger block.
687
688 *   free_list - this is a structure pointing to previous and next elements in
689     this heap's free list.
690     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
691     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
692     the free-list.
693
694 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
695     ``PAD``.
696     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
697     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
698     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
699     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
700     constraints.
701     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
702     header for the block.
703
704 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
705     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
706     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
707     value passed back to the application on a malloc.
708     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
709     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
710     actual block header.
711
712 *   size - the size of the data block, including the header itself.
713
714 Memory Allocation
715 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
716
717 On EAL initialization, all preallocated memory segments are setup as part of the
718 malloc heap. This setup involves placing an :ref:`element header<malloc_elem>`
719 with ``FREE`` at the start of each virtually contiguous segment of memory.
720 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
721
722 This setup also happens whenever memory is allocated at runtime (if supported),
723 in which case newly allocated pages are also added to the heap, merging with any
724 adjacent free segments if there are any.
725
726 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
727 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
728 determine the NUMA node of that thread.
729 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
730 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
731 requested size, type, alignment and boundary parameters.
732
733 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
734 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
735 requested alignment and boundary constraints.
736
737 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
738 to the user is calculated.
739 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
740 struct malloc_elem header.
741 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
742 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
743
744 #. Check for trailing space.
745    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
746    is split.
747    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
748
749 #. Check for space at the start of the element.
750    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
751    used, and the remaining space is wasted.
752    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
753
754 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
755 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
756 on the free list just has its size value adjusted, and the next/previous elements
757 have their "prev"/"next" pointers redirected to the newly created element.
758
759 In case when there is not enough memory in the heap to satisfy allocation
760 request, EAL will attempt to allocate more memory from the system (if supported)
761 and, following successful allocation, will retry reserving the memory again. In
762 a multiprocessing scenario, all primary and secondary processes will synchronize
763 their memory maps to ensure that any valid pointer to DPDK memory is guaranteed
764 to be valid at all times in all currently running processes.
765
766 Failure to synchronize memory maps in one of the processes will cause allocation
767 to fail, even though some of the processes may have allocated the memory
768 successfully. The memory is not added to the malloc heap unless primary process
769 has ensured that all other processes have mapped this memory successfully.
770
771 Any successful allocation event will trigger a callback, for which user
772 applications and other DPDK subsystems can register. Additionally, validation
773 callbacks will be triggered before allocation if the newly allocated memory will
774 exceed threshold set by the user, giving a chance to allow or deny allocation.
775
776 .. note::
777
778     Any allocation of new pages has to go through primary process. If the
779     primary process is not active, no memory will be allocated even if it was
780     theoretically possible to do so. This is because primary's process map acts
781     as an authority on what should or should not be mapped, while each secondary
782     process has its own, local memory map. Secondary processes do not update the
783     shared memory map, they only copy its contents to their local memory map.
784
785 Freeing Memory
786 ^^^^^^^^^^^^^^
787
788 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
789 to the free function.
790 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
791 the element header for the block.
792 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
793 the pointer to get the proper element header for the entire block.
794
795 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
796 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
797 and next elements. These next and previous elements are then checked to see if
798 they are also ``FREE`` and are immediately adjacent to the current one, and if
799 so, they are merged with the current element. This means that we can never have
800 two ``FREE`` memory blocks adjacent to one another, as they are always merged
801 into a single block.
802
803 If deallocating pages at runtime is supported, and the free element encloses
804 one or more pages, those pages can be deallocated and be removed from the heap.
805 If DPDK was started with command-line parameters for preallocating memory
806 (``-m`` or ``--socket-mem``), then those pages that were allocated at startup
807 will not be deallocated.
808
809 Any successful deallocation event will trigger a callback, for which user
810 applications and other DPDK subsystems can register.