fff1c06349420b06a8c176b25736b565f9887ac4
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Redistributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 .. _Environment_Abstraction_Layer:
32
33 Environment Abstraction Layer
34 =============================
35
36 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
37 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
38 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
39 (that is, memory space, PCI devices, timers, consoles, and so on).
40
41 Typical services expected from the EAL are:
42
43 *   DPDK Loading and Launching:
44     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
45
46 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
47     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
48
49 *   System Memory Reservation:
50     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
51
52 *   PCI Address Abstraction: The EAL provides an interface to access PCI address space.
53
54 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
55
56 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
57
58 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
59     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
60
61 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
62
63 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
64
65 EAL in a Linux-userland Execution Environment
66 ---------------------------------------------
67
68 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
69 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.
70 Refer to the UIO: User-space drivers documentation in the Linux kernel. This memory is mmap'd in the application.
71
72 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
73 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
74
75 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
76 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
77
78 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
79
80 Initialization and Core Launching
81 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
82
83 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
84 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.
85 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
86 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
87
88 .. _figure_linuxapp_launch:
89
90 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
91
92    EAL Initialization in a Linux Application Environment
93
94
95 .. note::
96
97     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
98     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
99     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
100     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
101
102 Multi-process Support
103 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
104
105 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
106 See chapter
107 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
108
109 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
110 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
111
112 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
113 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
114 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
115
116 .. note::
117
118     Memory reservations done using the APIs provided by rte_malloc are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
119
120 Xen Dom0 support without hugetbls
121 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
122
123 The existing memory management implementation is based on the Linux kernel hugepage mechanism.
124 However, Xen Dom0 does not support hugepages, so a new Linux kernel module rte_dom0_mm is added to workaround this limitation.
125
126 The EAL uses IOCTL interface to notify the Linux kernel module rte_dom0_mm to allocate memory of specified size,
127 and get all memory segments information from the module,
128 and the EAL uses MMAP interface to map the allocated memory.
129 For each memory segment, the physical addresses are contiguous within it but actual hardware addresses are contiguous within 2MB.
130
131 PCI Access
132 ~~~~~~~~~~
133
134 The EAL uses the /sys/bus/pci utilities provided by the kernel to scan the content on the PCI bus.
135 To access PCI memory, a kernel module called uio_pci_generic provides a /dev/uioX device file
136 and resource files in /sys
137 that can be mmap'd to obtain access to PCI address space from the application.
138 The DPDK-specific igb_uio module can also be used for this. Both drivers use the uio kernel feature (userland driver).
139
140 Per-lcore and Shared Variables
141 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
142
143 .. note::
144
145     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
146
147 Shared variables are the default behavior.
148 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
149
150 Logs
151 ~~~~
152
153 A logging API is provided by EAL.
154 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
155 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
156
157 Trace and Debug Functions
158 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
159
160 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
161 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
162 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
163
164 CPU Feature Identification
165 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
166
167 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_feature() function) to determine which CPU features are available.
168
169 User Space Interrupt Event
170 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
171
172 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
173
174 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
175 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
176 and are called in the host thread asynchronously.
177 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
178
179 .. note::
180
181     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
182     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
183
184
185 + RX Interrupt Event
186
187 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
188 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
189 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
190
191 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
192 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
193 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
194 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
195 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
196
197 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
198 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
199 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
200
201 .. note::
202
203     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
204     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
205     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
206
207 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
208 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
209
210 + Device Removal Event
211
212 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
213 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
214 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
215 still safely use its callbacks.
216
217 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
218 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
219 dedicated interrupt host thread.
220
221 Considering this, it is likely that an application would want to close a
222 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
223 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
224 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
225 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
226
227 Blacklisting
228 ~~~~~~~~~~~~
229
230 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
231 so they are ignored by the DPDK.
232 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
233
234 Misc Functions
235 ~~~~~~~~~~~~~~
236
237 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
238
239 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
240 ------------------------------------------
241
242 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
243 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
244 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a contiguous portion of memory.
245
246 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
247 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
248
249 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
250 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
251 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
252
253 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
254 (by default, they are aligned to cache line size).
255 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
256 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
257
258
259 Multiple pthread
260 ----------------
261
262 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
263 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
264
265 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
266 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
267 the full capability of the CPU.
268
269 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
270 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
271 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
272
273 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
274
275 EAL pthread and lcore Affinity
276 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
277
278 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
279 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
280 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
281 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
282
283 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
284 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.
285 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
286 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
287
288 The format pattern:
289         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
290
291 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
292
293 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
294
295 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
296
297     ::
298
299         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
300             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
301             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
302             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
303             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
304             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
305             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
306             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
307
308 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
309 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
310
311 non-EAL pthread support
312 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
313
314 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
315 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*.
316 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).
317
318 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
319
320 Public Thread API
321 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
322
323 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_pthread_get_affinity()`` introduced for threads.
324 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
325
326 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
327
328 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
329
330 *       *_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.
331
332
333 .. _known_issue_label:
334
335 Known Issues
336 ~~~~~~~~~~~~
337
338 + rte_mempool
339
340   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
341   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
342   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.
343   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.
344
345 + rte_ring
346
347   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
348   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
349
350   .. note::
351
352     The "non-preemptive" constraint means:
353
354     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
355       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
356       the same ring.
357     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
358       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
359       the same ring.
360
361     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
362     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
363
364   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.
365
366   1. It CAN be used for any single-producer or single-consumer situation.
367
368   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.
369
370   3. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
371
372 + rte_timer
373
374   Running  ``rte_timer_manager()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
375
376 + rte_log
377
378   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
379
380 + misc
381
382   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
383
384 cgroup control
385 ~~~~~~~~~~~~~~
386
387 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).
388 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
389
390   .. code-block:: console
391
392     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
393     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
394
395     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
396
397     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
398     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
399
400     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
401     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
402
403     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
404     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
405     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
406
407
408 Malloc
409 ------
410
411 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
412
413 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
414 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
415 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
416
417 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
418 processing because they are slower than pool-based allocation and make
419 use of locks within the allocation and free paths.
420 However, they can be used in configuration code.
421
422 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
423 manual for more information.
424
425 Cookies
426 ~~~~~~~
427
428 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
429 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
430
431 Alignment and NUMA Constraints
432 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
433
434 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
435 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
436
437 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
438 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
439 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
440 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
441 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
442 on the one doing the memory allocation.
443
444 Use Cases
445 ~~~~~~~~~
446
447 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
448 functions at initialization time.
449
450 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
451 the memory pool library should be used instead.
452
453 Internal Implementation
454 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
455
456 Data Structures
457 ^^^^^^^^^^^^^^^
458
459 There are two data structure types used internally in the malloc library:
460
461 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
462
463 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
464     tracking inside the library.
465
466 Structure: malloc_heap
467 """"""""""""""""""""""
468
469 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
470 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
471 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
472 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
473 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
474 or random node.
475
476 The key fields of the heap structure and their function are described below
477 (see also diagram above):
478
479 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
480     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
481     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
482
483 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
484     this malloc heap.
485
486 .. note::
487
488     The malloc_heap structure does not keep track of in-use blocks of memory,
489     since these are never touched except when they are to be freed again -
490     at which point the pointer to the block is an input to the free() function.
491
492 .. _figure_malloc_heap:
493
494 .. figure:: img/malloc_heap.*
495
496    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
497
498
499 .. _malloc_elem:
500
501 Structure: malloc_elem
502 """"""""""""""""""""""
503
504 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
505 blocks of memory.
506 It is used in three different ways - all shown in the diagram above:
507
508 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
509
510 #.  As a padding header inside a block of memory
511
512 #.  As an end-of-memseg marker
513
514 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
515
516 .. note::
517
518     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
519     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
520     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
521     fields have valid values.
522
523 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
524     this block was allocated.
525     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
526     newly-freed block to the heap's free-list.
527
528 *   prev - this pointer points to the header element/block in the memseg
529     immediately behind the current one. When freeing a block, this pointer is
530     used to reference the previous block to check if that block is also free.
531     If so, then the two free blocks are merged to form a single larger block.
532
533 *   next_free - this pointer is used to chain the free-list of unallocated
534     memory blocks together.
535     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
536     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
537     the free-list.
538
539 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
540     ``PAD``.
541     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
542     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
543     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
544     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
545     constraints.
546     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
547     header for the block.
548     For the end-of-memseg structure, this is always a ``BUSY`` value, which
549     ensures that no element, on being freed, searches beyond the end of the
550     memseg for other blocks to merge with into a larger free area.
551
552 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
553     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
554     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
555     value passed back to the application on a malloc.
556     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
557     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
558     actual block header.
559
560 *   size - the size of the data block, including the header itself.
561     For end-of-memseg structures, this size is given as zero, though it is never
562     actually checked.
563     For normal blocks which are being freed, this size value is used in place of
564     a "next" pointer to identify the location of the next block of memory that
565     in the case of being ``FREE``, the two free blocks can be merged into one.
566
567 Memory Allocation
568 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
569
570 On EAL initialization, all memsegs are setup as part of the malloc heap.
571 This setup involves placing a dummy structure at the end with ``BUSY`` state,
572 which may contain a sentinel value if ``CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG`` is enabled,
573 and a proper :ref:`element header<malloc_elem>` with ``FREE`` at the start
574 for each memseg.
575 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
576
577 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
578 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
579 determine the NUMA node of that thread.
580 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
581 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
582 requested size, type, alignment and boundary parameters.
583
584 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
585 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
586 requested alignment and boundary constraints.
587
588 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
589 to the user is calculated.
590 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
591 struct malloc_elem header.
592 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
593 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
594
595 #. Check for trailing space.
596    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
597    is split.
598    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
599
600 #. Check for space at the start of the element.
601    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
602    used, and the remaining space is wasted.
603    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
604
605 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
606 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
607 on the free list just has its size pointer adjusted, and the following element
608 has its "prev" pointer redirected to the newly created element.
609
610 Freeing Memory
611 ^^^^^^^^^^^^^^
612
613 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
614 to the free function.
615 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
616 the element header for the block.
617 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
618 the pointer to get the proper element header for the entire block.
619
620 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
621 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
622 element, and via the size field, we can calculate the pointer to the next element.
623 These next and previous elements are then checked to see if they are also
624 ``FREE``, and if so, they are merged with the current element.
625 This means that we can never have two ``FREE`` memory blocks adjacent to one
626 another, as they are always merged into a single block.