宋寶華：為什么numactl內(nèi)存綁定對(duì)代碼段不起作用
[導(dǎo)讀]有極少量0.75MB在NUMA0。這是不是說(shuō)numactl -m 1沒(méi)有起作用呢？
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在一個(gè)典型的NUMA架構(gòu)Linux服務(wù)器中，我們常常使用類(lèi)似
numactl -N 1 -m 1 ./a.out 類(lèi)似的命令來(lái)綁定一定進(jìn)程的memory，比如上面的例子，進(jìn)程的memory被綁定到NUMA1。
但是這個(gè)時(shí)候，我們用numastat命令去查看進(jìn)程a.out的內(nèi)存分布，很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它有少部分內(nèi)存不在NUMA1：
有極少量0.75MB在NUMA0。這是不是說(shuō)numactl -m 1沒(méi)有起作用呢？瞎猜沒(méi)用，眼見(jiàn)為實(shí)，我們來(lái)調(diào)查一下這個(gè)在NUMA0的內(nèi)存屬于進(jìn)程的哪一部分。
基本上可以看出，有3個(gè)地方有位于N0的內(nèi)存，比如：
為什么會(huì)這樣呢？看起來(lái)numactl -m對(duì)代碼段不起作用？
代碼段為啥沒(méi)進(jìn)入指定numa？
原因其實(shí)是比較清晰的。上述代碼段對(duì)應(yīng)的內(nèi)存，在Linux內(nèi)核中，都屬于有文件背景的頁(yè)面，受page cache機(jī)制管理。
想象一個(gè)場(chǎng)景，如果a.out曾經(jīng)運(yùn)行過(guò)一次（其實(shí)我開(kāi)機(jī)后已經(jīng)在沒(méi)有用numactl綁定內(nèi)存的情況下，運(yùn)行過(guò)一次a.out，上面的數(shù)據(jù)是第二次運(yùn)行a.out的時(shí)候采集的），然后系統(tǒng)也加載了一些動(dòng)態(tài)庫(kù)，那么a.out本身的代碼段，庫(kù)的代碼段可能進(jìn)入到了numa節(jié)點(diǎn)m，從而在內(nèi)存命中。接下來(lái)，如果我們用numactl -m./a.out去運(yùn)行a.out并綁定numa節(jié)點(diǎn)n，勢(shì)必要再次需要a.out的代碼段以及a.out依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)的代碼段。但是前一次，這些代碼段都進(jìn)入了page cache(位于NUMA node m)，所以第2次在numa node n運(yùn)行的時(shí)候，其實(shí)是命中了numa node m里面的內(nèi)存。
假設(shè)我們運(yùn)行4個(gè)a.out，這4個(gè)a.out分別運(yùn)行于4個(gè)不同的numa，然后a.out依賴a.out的代碼段、libx.so代碼段，liby.so代碼段。那么，完全有可能出現(xiàn)下圖的情況，a.out的代碼段位于numa0，libcx.so代碼段位于numa1，liby.so的代碼段位于numa2，這樣4份運(yùn)行中的a.out，都各自有跨NUMA的代碼段內(nèi)存訪問(wèn)，這樣在icache替換的時(shí)候，都需要跨NUMA訪問(wèn)內(nèi)存。
內(nèi)核為什么這樣做呢？原因在于，page cache的管理機(jī)制是以inode為單位的，每個(gè)page inode唯一！一個(gè)inode（比如a.out對(duì)應(yīng)的inode）的page cache在內(nèi)存命中的情況下，內(nèi)核會(huì)直接用這部分page cache。這個(gè)page cache，不會(huì)為每個(gè)NUMA單獨(dú)復(fù)制一份。從page cache的管理角度來(lái)講，這沒(méi)有問(wèn)題。
我們把前面的a.out kill掉，然后drop一次cache，再看a.out的內(nèi)存分布，發(fā)現(xiàn)在node0的部分減少了(0.75->0.63)
為什么呢？因?yàn)槲襠rop掉部分page cache后（echo 3也不可能drop掉全部的所有的代碼段，畢竟這里面很多代碼是“活躍”代碼），我們?cè)龠\(yùn)行a.out并綁定numa1的時(shí)候，這次這些沒(méi)有命中的代碼段page cache，會(huì)進(jìn)入到numa1。
如果我們重啟系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)第一次運(yùn)行a.out就綁定numa1呢？這個(gè)時(shí)候，我們會(huì)看到a.out的代碼段在numa1：
然后我們把a(bǔ).out kill掉，第二次綁定numa node0運(yùn)行a.out，會(huì)發(fā)現(xiàn)這次的a.out的代碼段還是在numa node1而不是node0：
原因是它命中了第一次運(yùn)行a.out已經(jīng)進(jìn)入node1的代碼段page cache。
初戀為什么如此刻骨銘心，你終究還是錯(cuò)過(guò)了那個(gè)人，而多少年以后，常常回想起來(lái)，你依然淚流滿面？因?yàn)?，它命中了你的page cache。但是終究，一個(gè)人，一生可能不會(huì)只運(yùn)行一次a.out。我們終究也要學(xué)會(huì)放手，把全部的愛(ài)，獻(xiàn)給你身邊與你相濡以沫的那個(gè)人。
內(nèi)存管理的改進(jìn)方向
2020年8月，我在Linux內(nèi)核里面提交和合入了per-numa CMA的支持：
dma-contiguous: provide the ability to reserve per-numa CMA
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=b7176c261cdbc
這樣讓每個(gè)NUMA里面的外設(shè)申請(qǐng)連續(xù)內(nèi)存的時(shí)候，可以申請(qǐng)到本NUMA的近地址內(nèi)存，而不用跑到遠(yuǎn)端去，從而提高I/O的性能：
考慮到代碼段以及其他page cache的跨NUMA特點(diǎn)，這里我想提一個(gè)可能性，就是per-numa Page cache。內(nèi)核可以支持讓關(guān)鍵的代碼段，文件背景頁(yè)面，在每個(gè)NUMA單獨(dú)獲得一份page cache：
它的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，page cache可能會(huì)用多份內(nèi)存。它的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，就是代碼段不用跨NUMA了。這屬于典型的以空間換時(shí)間！
這個(gè)事情行不行得通呢？技術(shù)上是行得通的，實(shí)踐上，我是不敢做的，因?yàn)樾枰罅康腷enchmark，加上patch至少得發(fā)20,30個(gè)版本，前后一兩年至少的。別的不說(shuō)，宋牧春童鞋的省vmemmap內(nèi)存的patch已經(jīng)發(fā)到了22版。
[PATCH v22 0/9] Free some vmemmap pages of HugeTLB page https://lore.kernel.org/lkml/20210430031352.45379-1-songmuchun@bytedance.com/
要是干這個(gè)page cache的優(yōu)化，不得至少發(fā)個(gè)30版？通常這種有利于全世界，而不利于自己的KPI的事情，是沒(méi)有多少工程師愿意投入的 :-) 細(xì)思恐極，這需要極大的耐心、投入和奉獻(xiàn)精神。
那么，前期是不是可以從一個(gè)小點(diǎn)開(kāi)始優(yōu)化呢？我覺(jué)得是可能的。
比如a.out本身在numa0運(yùn)行，kill后再在numa1運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候，內(nèi)核感知到a.out獨(dú)一份，沒(méi)有share的情況，是不是直接在內(nèi)核態(tài)把page cache直接migrate到numa1呢？我這里還是打個(gè)嘴炮就好，把想象空間留給讀者。
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numactl內(nèi)存綁定中代碼段的問(wèn)題
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代碼段為什么沒(méi)有進(jìn)入指定的numa節(jié)點(diǎn)
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內(nèi)核內(nèi)存管理一個(gè)改進(jìn)方向建議
在一個(gè)典型的NUMA架構(gòu)Linux服務(wù)器中，我們常常使用類(lèi)似
numactl -N 1 -m 1 ./a.out 類(lèi)似的命令來(lái)綁定一定進(jìn)程的memory，比如上面的例子，進(jìn)程的memory被綁定到NUMA1。
但是這個(gè)時(shí)候，我們用numastat命令去查看進(jìn)程a.out的內(nèi)存分布，很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它有少部分內(nèi)存不在NUMA1：
有極少量0.75MB在NUMA0。這是不是說(shuō)numactl -m 1沒(méi)有起作用呢？瞎猜沒(méi)用，眼見(jiàn)為實(shí)，我們來(lái)調(diào)查一下這個(gè)在NUMA0的內(nèi)存屬于進(jìn)程的哪一部分。
基本上可以看出，有3個(gè)地方有位于N0的內(nèi)存，比如：
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開(kāi)始地址是0x40000的，文件背景為/root/a.out的部分；
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開(kāi)始地址是0x7fb9afc000，文件背景為/lib/aarch64-linux-gnu/libc-2.23.so的部分；
-
開(kāi)始地址為0x7fb9c42000，文件背景為/lib/aarch64-linux-gnu/ld-2.23.so的部分。
為什么會(huì)這樣呢？看起來(lái)numactl -m對(duì)代碼段不起作用？
代碼段為啥沒(méi)進(jìn)入指定numa？
原因其實(shí)是比較清晰的。上述代碼段對(duì)應(yīng)的內(nèi)存，在Linux內(nèi)核中，都屬于有文件背景的頁(yè)面，受page cache機(jī)制管理。
想象一個(gè)場(chǎng)景，如果a.out曾經(jīng)運(yùn)行過(guò)一次（其實(shí)我開(kāi)機(jī)后已經(jīng)在沒(méi)有用numactl綁定內(nèi)存的情況下，運(yùn)行過(guò)一次a.out，上面的數(shù)據(jù)是第二次運(yùn)行a.out的時(shí)候采集的），然后系統(tǒng)也加載了一些動(dòng)態(tài)庫(kù)，那么a.out本身的代碼段，庫(kù)的代碼段可能進(jìn)入到了numa節(jié)點(diǎn)m，從而在內(nèi)存命中。接下來(lái)，如果我們用numactl -m./a.out去運(yùn)行a.out并綁定numa節(jié)點(diǎn)n，勢(shì)必要再次需要a.out的代碼段以及a.out依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)的代碼段。但是前一次，這些代碼段都進(jìn)入了page cache(位于NUMA node m)，所以第2次在numa node n運(yùn)行的時(shí)候，其實(shí)是命中了numa node m里面的內(nèi)存。
假設(shè)我們運(yùn)行4個(gè)a.out，這4個(gè)a.out分別運(yùn)行于4個(gè)不同的numa，然后a.out依賴a.out的代碼段、libx.so代碼段，liby.so代碼段。那么，完全有可能出現(xiàn)下圖的情況，a.out的代碼段位于numa0，libcx.so代碼段位于numa1，liby.so的代碼段位于numa2，這樣4份運(yùn)行中的a.out，都各自有跨NUMA的代碼段內(nèi)存訪問(wèn)，這樣在icache替換的時(shí)候，都需要跨NUMA訪問(wèn)內(nèi)存。
內(nèi)核為什么這樣做呢？原因在于，page cache的管理機(jī)制是以inode為單位的，每個(gè)page inode唯一！一個(gè)inode（比如a.out對(duì)應(yīng)的inode）的page cache在內(nèi)存命中的情況下，內(nèi)核會(huì)直接用這部分page cache。這個(gè)page cache，不會(huì)為每個(gè)NUMA單獨(dú)復(fù)制一份。從page cache的管理角度來(lái)講，這沒(méi)有問(wèn)題。
我們把前面的a.out kill掉，然后drop一次cache，再看a.out的內(nèi)存分布，發(fā)現(xiàn)在node0的部分減少了(0.75->0.63)
為什么呢？因?yàn)槲襠rop掉部分page cache后（echo 3也不可能drop掉全部的所有的代碼段，畢竟這里面很多代碼是“活躍”代碼），我們?cè)龠\(yùn)行a.out并綁定numa1的時(shí)候，這次這些沒(méi)有命中的代碼段page cache，會(huì)進(jìn)入到numa1。
如果我們重啟系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)第一次運(yùn)行a.out就綁定numa1呢？這個(gè)時(shí)候，我們會(huì)看到a.out的代碼段在numa1：
然后我們把a(bǔ).out kill掉，第二次綁定numa node0運(yùn)行a.out，會(huì)發(fā)現(xiàn)這次的a.out的代碼段還是在numa node1而不是node0：
原因是它命中了第一次運(yùn)行a.out已經(jīng)進(jìn)入node1的代碼段page cache。
初戀為什么如此刻骨銘心，你終究還是錯(cuò)過(guò)了那個(gè)人，而多少年以后，常常回想起來(lái)，你依然淚流滿面？因?yàn)?，它命中了你的page cache。但是終究，一個(gè)人，一生可能不會(huì)只運(yùn)行一次a.out。我們終究也要學(xué)會(huì)放手，把全部的愛(ài)，獻(xiàn)給你身邊與你相濡以沫的那個(gè)人。
內(nèi)存管理的改進(jìn)方向
2020年8月，我在Linux內(nèi)核里面提交和合入了per-numa CMA的支持：
dma-contiguous: provide the ability to reserve per-numa CMA
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=b7176c261cdbc
這樣讓每個(gè)NUMA里面的外設(shè)申請(qǐng)連續(xù)內(nèi)存的時(shí)候，可以申請(qǐng)到本NUMA的近地址內(nèi)存，而不用跑到遠(yuǎn)端去，從而提高I/O的性能：
考慮到代碼段以及其他page cache的跨NUMA特點(diǎn)，這里我想提一個(gè)可能性，就是per-numa Page cache。內(nèi)核可以支持讓關(guān)鍵的代碼段，文件背景頁(yè)面，在每個(gè)NUMA單獨(dú)獲得一份page cache：
它的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，page cache可能會(huì)用多份內(nèi)存。它的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，就是代碼段不用跨NUMA了。這屬于典型的以空間換時(shí)間！
這個(gè)事情行不行得通呢？技術(shù)上是行得通的，實(shí)踐上，我是不敢做的，因?yàn)樾枰罅康腷enchmark，加上patch至少得發(fā)20,30個(gè)版本，前后一兩年至少的。別的不說(shuō)，宋牧春童鞋的省vmemmap內(nèi)存的patch已經(jīng)發(fā)到了22版。
[PATCH v22 0/9] Free some vmemmap pages of HugeTLB page https://lore.kernel.org/lkml/20210430031352.45379-1-songmuchun@bytedance.com/
要是干這個(gè)page cache的優(yōu)化，不得至少發(fā)個(gè)30版？通常這種有利于全世界，而不利于自己的KPI的事情，是沒(méi)有多少工程師愿意投入的 :-) 細(xì)思恐極，這需要極大的耐心、投入和奉獻(xiàn)精神。
那么，前期是不是可以從一個(gè)小點(diǎn)開(kāi)始優(yōu)化呢？我覺(jué)得是可能的。
比如a.out本身在numa0運(yùn)行，kill后再在numa1運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候，內(nèi)核感知到a.out獨(dú)一份，沒(méi)有share的情況，是不是直接在內(nèi)核態(tài)把page cache直接migrate到numa1呢？我這里還是打個(gè)嘴炮就好，把想象空間留給讀者。
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