mm: thp: set the accessed flag for old pages on access fault
[pandora-kernel.git] / drivers / lguest / lguest_user.c
1 /*P:200 This contains all the /dev/lguest code, whereby the userspace
2  * launcher controls and communicates with the Guest.  For example,
3  * the first write will tell us the Guest's memory layout and entry
4  * point.  A read will run the Guest until something happens, such as
5  * a signal or the Guest doing a NOTIFY out to the Launcher.  There is
6  * also a way for the Launcher to attach eventfds to particular NOTIFY
7  * values instead of returning from the read() call.
8 :*/
9 #include <linux/uaccess.h>
10 #include <linux/miscdevice.h>
11 #include <linux/fs.h>
12 #include <linux/sched.h>
13 #include <linux/eventfd.h>
14 #include <linux/file.h>
15 #include <linux/slab.h>
16 #include <linux/export.h>
17 #include "lg.h"
18
19 /*L:056
20  * Before we move on, let's jump ahead and look at what the kernel does when
21  * it needs to look up the eventfds.  That will complete our picture of how we
22  * use RCU.
23  *
24  * The notification value is in cpu->pending_notify: we return true if it went
25  * to an eventfd.
26  */
27 bool send_notify_to_eventfd(struct lg_cpu *cpu)
28 {
29         unsigned int i;
30         struct lg_eventfd_map *map;
31
32         /*
33          * This "rcu_read_lock()" helps track when someone is still looking at
34          * the (RCU-using) eventfds array.  It's not actually a lock at all;
35          * indeed it's a noop in many configurations.  (You didn't expect me to
36          * explain all the RCU secrets here, did you?)
37          */
38         rcu_read_lock();
39         /*
40          * rcu_dereference is the counter-side of rcu_assign_pointer(); it
41          * makes sure we don't access the memory pointed to by
42          * cpu->lg->eventfds before cpu->lg->eventfds is set.  Sounds crazy,
43          * but Alpha allows this!  Paul McKenney points out that a really
44          * aggressive compiler could have the same effect:
45          *   http://lists.ozlabs.org/pipermail/lguest/2009-July/001560.html
46          *
47          * So play safe, use rcu_dereference to get the rcu-protected pointer:
48          */
49         map = rcu_dereference(cpu->lg->eventfds);
50         /*
51          * Simple array search: even if they add an eventfd while we do this,
52          * we'll continue to use the old array and just won't see the new one.
53          */
54         for (i = 0; i < map->num; i++) {
55                 if (map->map[i].addr == cpu->pending_notify) {
56                         eventfd_signal(map->map[i].event, 1);
57                         cpu->pending_notify = 0;
58                         break;
59                 }
60         }
61         /* We're done with the rcu-protected variable cpu->lg->eventfds. */
62         rcu_read_unlock();
63
64         /* If we cleared the notification, it's because we found a match. */
65         return cpu->pending_notify == 0;
66 }
67
68 /*L:055
69  * One of the more tricksy tricks in the Linux Kernel is a technique called
70  * Read Copy Update.  Since one point of lguest is to teach lguest journeyers
71  * about kernel coding, I use it here.  (In case you're curious, other purposes
72  * include learning about virtualization and instilling a deep appreciation for
73  * simplicity and puppies).
74  *
75  * We keep a simple array which maps LHCALL_NOTIFY values to eventfds, but we
76  * add new eventfds without ever blocking readers from accessing the array.
77  * The current Launcher only does this during boot, so that never happens.  But
78  * Read Copy Update is cool, and adding a lock risks damaging even more puppies
79  * than this code does.
80  *
81  * We allocate a brand new one-larger array, copy the old one and add our new
82  * element.  Then we make the lg eventfd pointer point to the new array.
83  * That's the easy part: now we need to free the old one, but we need to make
84  * sure no slow CPU somewhere is still looking at it.  That's what
85  * synchronize_rcu does for us: waits until every CPU has indicated that it has
86  * moved on to know it's no longer using the old one.
87  *
88  * If that's unclear, see http://en.wikipedia.org/wiki/Read-copy-update.
89  */
90 static int add_eventfd(struct lguest *lg, unsigned long addr, int fd)
91 {
92         struct lg_eventfd_map *new, *old = lg->eventfds;
93
94         /*
95          * We don't allow notifications on value 0 anyway (pending_notify of
96          * 0 means "nothing pending").
97          */
98         if (!addr)
99                 return -EINVAL;
100
101         /*
102          * Replace the old array with the new one, carefully: others can
103          * be accessing it at the same time.
104          */
105         new = kmalloc(sizeof(*new) + sizeof(new->map[0]) * (old->num + 1),
106                       GFP_KERNEL);
107         if (!new)
108                 return -ENOMEM;
109
110         /* First make identical copy. */
111         memcpy(new->map, old->map, sizeof(old->map[0]) * old->num);
112         new->num = old->num;
113
114         /* Now append new entry. */
115         new->map[new->num].addr = addr;
116         new->map[new->num].event = eventfd_ctx_fdget(fd);
117         if (IS_ERR(new->map[new->num].event)) {
118                 int err =  PTR_ERR(new->map[new->num].event);
119                 kfree(new);
120                 return err;
121         }
122         new->num++;
123
124         /*
125          * Now put new one in place: rcu_assign_pointer() is a fancy way of
126          * doing "lg->eventfds = new", but it uses memory barriers to make
127          * absolutely sure that the contents of "new" written above is nailed
128          * down before we actually do the assignment.
129          *
130          * We have to think about these kinds of things when we're operating on
131          * live data without locks.
132          */
133         rcu_assign_pointer(lg->eventfds, new);
134
135         /*
136          * We're not in a big hurry.  Wait until no one's looking at old
137          * version, then free it.
138          */
139         synchronize_rcu();
140         kfree(old);
141
142         return 0;
143 }
144
145 /*L:052
146  * Receiving notifications from the Guest is usually done by attaching a
147  * particular LHCALL_NOTIFY value to an event filedescriptor.  The eventfd will
148  * become readable when the Guest does an LHCALL_NOTIFY with that value.
149  *
150  * This is really convenient for processing each virtqueue in a separate
151  * thread.
152  */
153 static int attach_eventfd(struct lguest *lg, const unsigned long __user *input)
154 {
155         unsigned long addr, fd;
156         int err;
157
158         if (get_user(addr, input) != 0)
159                 return -EFAULT;
160         input++;
161         if (get_user(fd, input) != 0)
162                 return -EFAULT;
163
164         /*
165          * Just make sure two callers don't add eventfds at once.  We really
166          * only need to lock against callers adding to the same Guest, so using
167          * the Big Lguest Lock is overkill.  But this is setup, not a fast path.
168          */
169         mutex_lock(&lguest_lock);
170         err = add_eventfd(lg, addr, fd);
171         mutex_unlock(&lguest_lock);
172
173         return err;
174 }
175
176 /*L:050
177  * Sending an interrupt is done by writing LHREQ_IRQ and an interrupt
178  * number to /dev/lguest.
179  */
180 static int user_send_irq(struct lg_cpu *cpu, const unsigned long __user *input)
181 {
182         unsigned long irq;
183
184         if (get_user(irq, input) != 0)
185                 return -EFAULT;
186         if (irq >= LGUEST_IRQS)
187                 return -EINVAL;
188
189         /*
190          * Next time the Guest runs, the core code will see if it can deliver
191          * this interrupt.
192          */
193         set_interrupt(cpu, irq);
194         return 0;
195 }
196
197 /*L:040
198  * Once our Guest is initialized, the Launcher makes it run by reading
199  * from /dev/lguest.
200  */
201 static ssize_t read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t*o)
202 {
203         struct lguest *lg = file->private_data;
204         struct lg_cpu *cpu;
205         unsigned int cpu_id = *o;
206
207         /* You must write LHREQ_INITIALIZE first! */
208         if (!lg)
209                 return -EINVAL;
210
211         /* Watch out for arbitrary vcpu indexes! */
212         if (cpu_id >= lg->nr_cpus)
213                 return -EINVAL;
214
215         cpu = &lg->cpus[cpu_id];
216
217         /* If you're not the task which owns the Guest, go away. */
218         if (current != cpu->tsk)
219                 return -EPERM;
220
221         /* If the Guest is already dead, we indicate why */
222         if (lg->dead) {
223                 size_t len;
224
225                 /* lg->dead either contains an error code, or a string. */
226                 if (IS_ERR(lg->dead))
227                         return PTR_ERR(lg->dead);
228
229                 /* We can only return as much as the buffer they read with. */
230                 len = min(size, strlen(lg->dead)+1);
231                 if (copy_to_user(user, lg->dead, len) != 0)
232                         return -EFAULT;
233                 return len;
234         }
235
236         /*
237          * If we returned from read() last time because the Guest sent I/O,
238          * clear the flag.
239          */
240         if (cpu->pending_notify)
241                 cpu->pending_notify = 0;
242
243         /* Run the Guest until something interesting happens. */
244         return run_guest(cpu, (unsigned long __user *)user);
245 }
246
247 /*L:025
248  * This actually initializes a CPU.  For the moment, a Guest is only
249  * uniprocessor, so "id" is always 0.
250  */
251 static int lg_cpu_start(struct lg_cpu *cpu, unsigned id, unsigned long start_ip)
252 {
253         /* We have a limited number the number of CPUs in the lguest struct. */
254         if (id >= ARRAY_SIZE(cpu->lg->cpus))
255                 return -EINVAL;
256
257         /* Set up this CPU's id, and pointer back to the lguest struct. */
258         cpu->id = id;
259         cpu->lg = container_of((cpu - id), struct lguest, cpus[0]);
260         cpu->lg->nr_cpus++;
261
262         /* Each CPU has a timer it can set. */
263         init_clockdev(cpu);
264
265         /*
266          * We need a complete page for the Guest registers: they are accessible
267          * to the Guest and we can only grant it access to whole pages.
268          */
269         cpu->regs_page = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
270         if (!cpu->regs_page)
271                 return -ENOMEM;
272
273         /* We actually put the registers at the bottom of the page. */
274         cpu->regs = (void *)cpu->regs_page + PAGE_SIZE - sizeof(*cpu->regs);
275
276         /*
277          * Now we initialize the Guest's registers, handing it the start
278          * address.
279          */
280         lguest_arch_setup_regs(cpu, start_ip);
281
282         /*
283          * We keep a pointer to the Launcher task (ie. current task) for when
284          * other Guests want to wake this one (eg. console input).
285          */
286         cpu->tsk = current;
287
288         /*
289          * We need to keep a pointer to the Launcher's memory map, because if
290          * the Launcher dies we need to clean it up.  If we don't keep a
291          * reference, it is destroyed before close() is called.
292          */
293         cpu->mm = get_task_mm(cpu->tsk);
294
295         /*
296          * We remember which CPU's pages this Guest used last, for optimization
297          * when the same Guest runs on the same CPU twice.
298          */
299         cpu->last_pages = NULL;
300
301         /* No error == success. */
302         return 0;
303 }
304
305 /*L:020
306  * The initialization write supplies 3 pointer sized (32 or 64 bit) values (in
307  * addition to the LHREQ_INITIALIZE value).  These are:
308  *
309  * base: The start of the Guest-physical memory inside the Launcher memory.
310  *
311  * pfnlimit: The highest (Guest-physical) page number the Guest should be
312  * allowed to access.  The Guest memory lives inside the Launcher, so it sets
313  * this to ensure the Guest can only reach its own memory.
314  *
315  * start: The first instruction to execute ("eip" in x86-speak).
316  */
317 static int initialize(struct file *file, const unsigned long __user *input)
318 {
319         /* "struct lguest" contains all we (the Host) know about a Guest. */
320         struct lguest *lg;
321         int err;
322         unsigned long args[3];
323
324         /*
325          * We grab the Big Lguest lock, which protects against multiple
326          * simultaneous initializations.
327          */
328         mutex_lock(&lguest_lock);
329         /* You can't initialize twice!  Close the device and start again... */
330         if (file->private_data) {
331                 err = -EBUSY;
332                 goto unlock;
333         }
334
335         if (copy_from_user(args, input, sizeof(args)) != 0) {
336                 err = -EFAULT;
337                 goto unlock;
338         }
339
340         lg = kzalloc(sizeof(*lg), GFP_KERNEL);
341         if (!lg) {
342                 err = -ENOMEM;
343                 goto unlock;
344         }
345
346         lg->eventfds = kmalloc(sizeof(*lg->eventfds), GFP_KERNEL);
347         if (!lg->eventfds) {
348                 err = -ENOMEM;
349                 goto free_lg;
350         }
351         lg->eventfds->num = 0;
352
353         /* Populate the easy fields of our "struct lguest" */
354         lg->mem_base = (void __user *)args[0];
355         lg->pfn_limit = args[1];
356
357         /* This is the first cpu (cpu 0) and it will start booting at args[2] */
358         err = lg_cpu_start(&lg->cpus[0], 0, args[2]);
359         if (err)
360                 goto free_eventfds;
361
362         /*
363          * Initialize the Guest's shadow page tables.  This allocates
364          * memory, so can fail.
365          */
366         err = init_guest_pagetable(lg);
367         if (err)
368                 goto free_regs;
369
370         /* We keep our "struct lguest" in the file's private_data. */
371         file->private_data = lg;
372
373         mutex_unlock(&lguest_lock);
374
375         /* And because this is a write() call, we return the length used. */
376         return sizeof(args);
377
378 free_regs:
379         /* FIXME: This should be in free_vcpu */
380         free_page(lg->cpus[0].regs_page);
381 free_eventfds:
382         kfree(lg->eventfds);
383 free_lg:
384         kfree(lg);
385 unlock:
386         mutex_unlock(&lguest_lock);
387         return err;
388 }
389
390 /*L:010
391  * The first operation the Launcher does must be a write.  All writes
392  * start with an unsigned long number: for the first write this must be
393  * LHREQ_INITIALIZE to set up the Guest.  After that the Launcher can use
394  * writes of other values to send interrupts or set up receipt of notifications.
395  *
396  * Note that we overload the "offset" in the /dev/lguest file to indicate what
397  * CPU number we're dealing with.  Currently this is always 0 since we only
398  * support uniprocessor Guests, but you can see the beginnings of SMP support
399  * here.
400  */
401 static ssize_t write(struct file *file, const char __user *in,
402                      size_t size, loff_t *off)
403 {
404         /*
405          * Once the Guest is initialized, we hold the "struct lguest" in the
406          * file private data.
407          */
408         struct lguest *lg = file->private_data;
409         const unsigned long __user *input = (const unsigned long __user *)in;
410         unsigned long req;
411         struct lg_cpu *uninitialized_var(cpu);
412         unsigned int cpu_id = *off;
413
414         /* The first value tells us what this request is. */
415         if (get_user(req, input) != 0)
416                 return -EFAULT;
417         input++;
418
419         /* If you haven't initialized, you must do that first. */
420         if (req != LHREQ_INITIALIZE) {
421                 if (!lg || (cpu_id >= lg->nr_cpus))
422                         return -EINVAL;
423                 cpu = &lg->cpus[cpu_id];
424
425                 /* Once the Guest is dead, you can only read() why it died. */
426                 if (lg->dead)
427                         return -ENOENT;
428         }
429
430         switch (req) {
431         case LHREQ_INITIALIZE:
432                 return initialize(file, input);
433         case LHREQ_IRQ:
434                 return user_send_irq(cpu, input);
435         case LHREQ_EVENTFD:
436                 return attach_eventfd(lg, input);
437         default:
438                 return -EINVAL;
439         }
440 }
441
442 /*L:060
443  * The final piece of interface code is the close() routine.  It reverses
444  * everything done in initialize().  This is usually called because the
445  * Launcher exited.
446  *
447  * Note that the close routine returns 0 or a negative error number: it can't
448  * really fail, but it can whine.  I blame Sun for this wart, and K&R C for
449  * letting them do it.
450 :*/
451 static int close(struct inode *inode, struct file *file)
452 {
453         struct lguest *lg = file->private_data;
454         unsigned int i;
455
456         /* If we never successfully initialized, there's nothing to clean up */
457         if (!lg)
458                 return 0;
459
460         /*
461          * We need the big lock, to protect from inter-guest I/O and other
462          * Launchers initializing guests.
463          */
464         mutex_lock(&lguest_lock);
465
466         /* Free up the shadow page tables for the Guest. */
467         free_guest_pagetable(lg);
468
469         for (i = 0; i < lg->nr_cpus; i++) {
470                 /* Cancels the hrtimer set via LHCALL_SET_CLOCKEVENT. */
471                 hrtimer_cancel(&lg->cpus[i].hrt);
472                 /* We can free up the register page we allocated. */
473                 free_page(lg->cpus[i].regs_page);
474                 /*
475                  * Now all the memory cleanups are done, it's safe to release
476                  * the Launcher's memory management structure.
477                  */
478                 mmput(lg->cpus[i].mm);
479         }
480
481         /* Release any eventfds they registered. */
482         for (i = 0; i < lg->eventfds->num; i++)
483                 eventfd_ctx_put(lg->eventfds->map[i].event);
484         kfree(lg->eventfds);
485
486         /*
487          * If lg->dead doesn't contain an error code it will be NULL or a
488          * kmalloc()ed string, either of which is ok to hand to kfree().
489          */
490         if (!IS_ERR(lg->dead))
491                 kfree(lg->dead);
492         /* Free the memory allocated to the lguest_struct */
493         kfree(lg);
494         /* Release lock and exit. */
495         mutex_unlock(&lguest_lock);
496
497         return 0;
498 }
499
500 /*L:000
501  * Welcome to our journey through the Launcher!
502  *
503  * The Launcher is the Host userspace program which sets up, runs and services
504  * the Guest.  In fact, many comments in the Drivers which refer to "the Host"
505  * doing things are inaccurate: the Launcher does all the device handling for
506  * the Guest, but the Guest can't know that.
507  *
508  * Just to confuse you: to the Host kernel, the Launcher *is* the Guest and we
509  * shall see more of that later.
510  *
511  * We begin our understanding with the Host kernel interface which the Launcher
512  * uses: reading and writing a character device called /dev/lguest.  All the
513  * work happens in the read(), write() and close() routines:
514  */
515 static const struct file_operations lguest_fops = {
516         .owner   = THIS_MODULE,
517         .release = close,
518         .write   = write,
519         .read    = read,
520         .llseek  = default_llseek,
521 };
522 /*:*/
523
524 /*
525  * This is a textbook example of a "misc" character device.  Populate a "struct
526  * miscdevice" and register it with misc_register().
527  */
528 static struct miscdevice lguest_dev = {
529         .minor  = MISC_DYNAMIC_MINOR,
530         .name   = "lguest",
531         .fops   = &lguest_fops,
532 };
533
534 int __init lguest_device_init(void)
535 {
536         return misc_register(&lguest_dev);
537 }
538
539 void __exit lguest_device_remove(void)
540 {
541         misc_deregister(&lguest_dev);
542 }